Вчені довели існування нового типу магнетизму

Третя гілка магнетизму була експериментально продемонстрована в телуриді марганцю, що відкриває можливості для нових напрямків досліджень. Недавнє дослідження, опубліковане в Nature , показує, що міжнародна група вчених кинула виклик традиційному поділу магнетизму на два типи: феромагнетизм, відомий тисячі років, і антиферомагнетизм, ідентифікований приблизно століття тому. Наразі дослідники успішно продемонстрували за допомогою прямих експериментів третій тип магнетизму — альтермагнетизм, — який теоретично передбачили вчені з Університету Йоганна Гутенберга в Майнці та Чеської академії наук у Празі кількома роками раніше.

Обмеження відомих раніше магнітних галузей для інформаційних технологій

Зазвичай ми думаємо про магніт як про феромагнетик, який має сильне магнітне поле, яке зберігає список покупок на дверцятах холодильника або забезпечує роботу електромотора в електромобілі. Магнітне поле феромагнетика створюється, коли магнітне поле мільйонів його атомів спрямоване в одному напрямку. Це магнітне поле також можна використовувати для модуляції електричного струму в компонентах інформаційних технологій (ІТ).

Одночасно феромагнітне поле створює серйозне обмеження для просторової та часової масштабованості компонентів. Таким чином, в останні роки значна увага приділяється дослідженню другої, антиферомагнітної гілки магнетиків. Антиферомагнетики є менш відомими, але набагато більш поширеними матеріалами в природі, де напрямки атомних магнітних полів на сусідніх атомах розташовані в шаховому порядку, як білий і чорний кольори на шахівниці. Таким чином, антиферомагнетики в цілому не створюють небажаних магнітних полів, але, на жаль, вони настільки антимагнітні, що поки що не знайшли активного застосування в інформаційних технологіях.

Альтермагнетики поєднують в собі «несумісні» переваги

Нещодавно передбачені альтермагнетики поєднують переваги феромагнетиків і антиферомагнетиків, які вважалися принципово несумісними, а також мають інші унікальні переваги, яких немає в інших галузях. Альтермагнетики можна розглядати як магнітні схеми, де чергуються не лише атомні моменти на сусідніх атомах, але й орієнтація атомів у кристалі. Таким чином, альтермагніти не створюють магнітного поля зовні, але електрони всередині відчувають магнітне поле, яке фактично в 1000 разів сильніше, ніж поле магніту на холодильнику. Ці поля можуть модулювати електричні струми, схожі на феромагнетики, і тому потенційно дуже привабливі для застосування в майбутніх ультрамасштабованих наноелектроніках.

Крім того, вчені ідентифікували понад 200 матеріалів-кандидатів на альтермагнетизм із властивостями, що охоплюють ізолятори, напівпровідники , метали та навіть надпровідники. Дослідницькі групи досліджували багато з цих матеріалів у минулому, але їх альтермагнітна природа залишалася прихованою від них.

Теоретики передбачили альтермагнітну гілку п’ять років тому

Починаючи з 2019 року команда з Університету Йоганна Гутенберга в Майнці та Інституту фізики в Празі опублікувала серію робіт, у яких вони теоретично ідентифікували нетрадиційні магнітні матеріали. У 2021 році та сама команда доктора Лібора Шмейкала, професора Хайро Сінова та професора Томаса Юнгвірта передбачила, що ці матеріали утворюють третій фундаментальний тип магнетизму, який вони назвали альтермагнетизмом і кристалічна та магнітна структура якого повністю відрізняється від звичайних феромагнетиків та антиферомагнетиків. .

Оскільки альтермагнетизм відкриває широкі та безпрецедентні можливості для дослідження та застосування, майже відразу після теоретичного прогнозу прийшла хвиля подальших досліджень дослідницьких груп з усього світу. Згодом постало питання про те, коли будуть отримані прямі експериментальні докази.

Експериментальні дані, проведені на матеріалі, який десятиліттями вважався «класичним антиферомагнетиком»

Міжнародна група дослідників надала такі докази в дослідженні, опублікованому в Nature. Дослідники вирішили вивчити кристали простого двоелементного альтермагнітного кандидата – телуриду марганцю (MnTe). Традиційно цей матеріал вважається одним із класичних антиферомагнетиків, оскільки магнітні моменти на сусідніх атомах марганцю спрямовані в протилежних напрямках, і тому не створюють зовнішнього магнітного поля навколо матеріалу.

Тепер вчені вперше змогли безпосередньо продемонструвати альтермагнетизм MnTe. Вони використовували теоретичні прогнози, щоб визначити, в якому напрямку «світло» буде «світити» на високоякісні кристали MnTe в експерименті з фотоемісією. Команда виміряла зонні структури, які є картами, які фізики використовують для опису властивостей електронів у кристалах, на синхротроні. Потім вони змогли показати, що, незважаючи на відсутність зовнішнього магнітного поля, електронні стани в MnTe сильно спін-розщеплені. Масштаб і форма спінового розщеплення ідеально відповідають передбаченому альтермагнітному розщепленню за допомогою квантово-механічних розрахунків.

Крім того, дослідники вперше змогли виявити спінову поляризацію смуг. «Це є прямим доказом того, що MnTe не є ні звичайним антиферомагнетиком, ні звичайним феромагнетиком, а належить до нової альтермагнітної гілки магнітних матеріалів», — сказав доктор Лібор Шмейкал з JGU, головний автор теоретичної частини статті.

Дослідження спиралося на експертизу дослідників з Інституту фізики Університету Йоганна Гутенберга в Майнці в Німеччині у співпраці з вченими з Чеської академії наук у Празі, Інституту Пауля Шеррера в Швейцарії, Університету Західної Богемії в Пльзені, Університету Лінца в Австрії, Ноттінгемського університету у Великобританії та Карлового університету в Празі.

Відкриття альтермагнетизму відкриває нові напрямки досліджень

«Після перших прогнозів і враховуючи стрімко зростаючий інтерес до альтермагнетизму в усьому світі, ми раді, що змогли зробити свій внесок в експериментальну демонстрацію MnTe», — сказав доктор Лібор Шмейкал з Університету Майнца.

Професор Хайро Сінова, директор групи міждисциплінарних досліджень спінтроніки (INSPIRE) і міждисциплінарного центру спінових явищ (SPICE) в JGU і співавтор дослідження, додав: «Відкриття альтермагнетизму започаткувало нові напрямки глобальних досліджень. у нові фізичні та матеріальні принципи для високомасштабованих та енергоефективних ІТ-компонентів». Примітно, що поле нагрівається, і нещодавно з’явилося кілька інших досліджень, які підтверджують інші властивості альтермагнітних матеріалів. Таким чином, відкриття альтермагнетизму здається лише початком нової захоплюючої ери в магнетизмі.