Физики обнаружили доказательства существования «третьего» типа магнетизма

Фото из открытых источников

В ферромагнетиках, подобно магниту на холодильнике, атомные спины выстраиваются в одном направлении. В антиферромагнетиках соседние спины направлены в противоположные стороны и взаимно компенсируют друг друга. Теперь физики сообщают об экспериментальных доказательствах существования материала, сочетающего в себе черты обоих типов: интеркалированного кобальтом диселенида тантала (Co 1/4 TaSe 2), который, по-видимому, является альтермагнетиком. Результаты нового исследования были опубликованы в журнале Nature Communications.

Альтермагнетики, класс материалов, описанный теоретиками лишь в последние годы, не обладают суммарной намагниченностью, в отличие от антиферромагнетиков.

Однако электроны в этом материале ведут себя так, как если бы он был магнитным, причем энергия электронов зависит от их спина и направления движения.

Такое сочетание привлекательно для спинтроники — направления, стремящегося создать более быструю и эффективную электронику, использующую спин электронов, а не только заряд. Поскольку альтермагнетики не создают блуждающих магнитных полей, устройства, изготовленные из них, в принципе, можно было бы плотно упаковывать, не мешая друг другу.

«Ферромагнетизм обуславливает поведение, которое большинство людей ассоциируют с обычными магнитами», — заявили ведущий автор исследования, профессор Мадхаб Неупане из Университета Центральной Флориды, и его коллеги.

В этих материалах магнитные моменты выравниваются в одном направлении, создавая магнитное поле. Это свойство может быть полезно в электронике, но возникающие в результате рассеянные магнитные поля могут создавать помехи для находящихся рядом компонентов.

Антиферромагнетики ведут себя иначе. Их магнитные моменты направлены в противоположные стороны и взаимно компенсируют друг друга, в значительной степени избегая воздействия рассеянных полей. Однако им не хватает некоторых полезных электронных свойств, присущих ферромагнетикам.

«Альтермагниты предлагают еще одну возможность, сочетая в себе желаемые характеристики обоих типов устройств», — пояснили ученые. «Подобно антиферромагнетикам, они могут предотвращать образование нежелательных блуждающих магнитных полей. Но они также могут генерировать и обнаруживать спиновые токи — движение спинов электронов в материале, — которые исследователи надеются использовать в будущей электронике».

В ходе исследования ученые использовали метод угловой фотоэмиссионной спектроскопии, который позволяет картировать движение электронов внутри кристалла, включая измерения, различающие электроны со спином «вверх» и спином «вниз».

Они впервые обнаружили характерное расщепление в электронных полосах Co 1/4 TaSe 2.

Затем они использовали спектроскопию фотоэмиссии с угловым разрешением и разрешением по спину, чтобы изучить это явление более детально, и обнаружили, что эти расщепленные состояния имеют противоположную спиновую поляризацию, что является ключевым доказательством альтермагнетизма.

«Значение этого стало очевидным, когда экспериментальные измерения последовательно совпали с нашими теоретическими предсказаниями», — говорит профессор Неупане. «Увидев, как эти независимые свидетельства сходятся воедино, мы убедились, что обнаружили подлинный многослойный альтермагнетик».

По словам ученых, этот материал уникален тем, что представляет собой слоистый кристалл Ван-дер-Ваальса, что может облегчить его сочетание с другими экзотическими материалами, такими как сверхпроводники, в слоистых устройствах.

Другие кандидаты на роль альтермагнетиков, изученные до настоящего времени, в основном теллурид марганца и антимонид хрома, не имеют такой слоистой структуры.

«Доказательства наличия альтермагнетизма в универсальной платформе материалов открывают множество новых возможностей», — сказал соавтор исследования Майло Спраг, также из Университета Центральной Флориды. «В настоящее время в теории альтермагнитных явлений ведутся многочисленные дискуссии о том, как спин-поляризованные электронные состояния взаимодействуют с другими магнитными явлениями. Теперь у нас есть материал, который мы можем легко модифицировать для изучения этих новых вопросов».