Ученые из Университета Ноттингема, под руководством профессора физики Питера Уэдли, совершили прорыв в понимании магнетизма, открыв его третью форму – альтермагнетизм. Это открытие, опубликованное 11 декабря в журнале Nature, бросает вызов устоявшимся представлениям и открывает двери к созданию принципиально новых магнитных устройств и развитию сверхпроводимости.
До недавнего времени было известно два основных типа магнетизма: ферромагнетизм, где магнитные моменты всех атомов направлены в одну сторону, и антиферромагнетизм, где соседние магнитные моменты ориентированы в противоположных направлениях, напоминая шахматную доску. Альтермагнетизм, обнаруженный Оливером Амином и Альфредом Дал Дином, представляет собой гибрид этих двух состояний. В альтермагнетиках магнитные моменты также направлены противоположно, но каждый из них немного «скручен» относительно соседа, создавая уникальную структуру, сочетающую свойства антиферромагнетизма и ферромагнетизма.
Ключевое преимущество альтермагнетиков заключается в их способности сочетать управляемость ферромагнетиков со скоростью и устойчивостью антиферромагнетиков. Это свойство делает их перспективными кандидатами для создания высокоскоростных магнитных запоминающих устройств. В отличие от ферромагнетиков, чья намагниченность легко теряется при воздействии внешнего магнитного поля, альтермагнетики более устойчивы. Кроме того, альтермагнетики обладают свойством «нарушения симметрии обращения времени».
Нарушение симметрии обращения времени – это фундаментальное понятие в физике. В обычных системах поведение не меняется, если «прокрутить время назад». Однако у электронов есть спин и магнитный момент, которые при обращении времени меняют своё направление, ломая симметрию и позволяя существовать определённым электрическим явлениям.
Для доказательства альтермагнитной природы материала, ученые использовали фотоэлектронную микроскопию. Применяя циркулярно поляризованное рентгеновское излучение, они визуализировали магнитные домены, созданные нарушением симметрии обращения времени. Горизонтально или вертикально поляризованное рентгеновское излучение позволило им измерить направление магнитных моментов. Таким образом, команда доказала, что ранее считавшийся антиферромагнитным теллурид марганца, является альтермагнетиком.
В ходе исследования ученым удалось не только подтвердить существование нового типа магнетизма, но и создать из альтермагнетика работающие устройства. Применяя контролируемые циклы нагрева, они манипулировали магнитными доменами и создали экзотические вихревые текстуры в гексагональных и треугольных структурах. Эти вихри, так называемые магнитные воронки, считаются перспективными носителями информации в спинтронике – области электроники, использующей спин электрона.
Теория альтермагнетизма была впервые предложена в 2022 году, но до сих пор не было экспериментальных подтверждений. Открытие группы из Ноттингема не только подтвердило теоретические предсказания, но и открыло путь к практическому применению альтермагнетиков.
Помимо магнитных запоминающих устройств, альтермагнетики могут способствовать развитию сверхпроводимости. Как отметил Альфред Дал Дин, альтермагнетизм является недостающим звеном в понимании симметрии между магнетизмом и сверхпроводимостью.
«Различные аспекты магнетизма становятся более четкими в зависимости от выбранной поляризации рентгеновских лучей,» – комментирует Оливер Амин. «Мы смогли сформировать эти экзотические вихревые структуры как в шестиугольных, так и в треугольных устройствах. Эти вихри привлекают все большее внимание в спинтронике в качестве потенциальных носителей информации, поэтому это был хороший первый пример того, как создать практическое устройство».
Открытие альтермагнетизма является фундаментальным шагом в понимании магнетизма и открывает новые перспективы в развитии современных технологий, от высокоскоростных запоминающих устройств до будущих сверхпроводящих систем.
Изображение носит иллюстративный характер
До недавнего времени было известно два основных типа магнетизма: ферромагнетизм, где магнитные моменты всех атомов направлены в одну сторону, и антиферромагнетизм, где соседние магнитные моменты ориентированы в противоположных направлениях, напоминая шахматную доску. Альтермагнетизм, обнаруженный Оливером Амином и Альфредом Дал Дином, представляет собой гибрид этих двух состояний. В альтермагнетиках магнитные моменты также направлены противоположно, но каждый из них немного «скручен» относительно соседа, создавая уникальную структуру, сочетающую свойства антиферромагнетизма и ферромагнетизма.
Ключевое преимущество альтермагнетиков заключается в их способности сочетать управляемость ферромагнетиков со скоростью и устойчивостью антиферромагнетиков. Это свойство делает их перспективными кандидатами для создания высокоскоростных магнитных запоминающих устройств. В отличие от ферромагнетиков, чья намагниченность легко теряется при воздействии внешнего магнитного поля, альтермагнетики более устойчивы. Кроме того, альтермагнетики обладают свойством «нарушения симметрии обращения времени».
Нарушение симметрии обращения времени – это фундаментальное понятие в физике. В обычных системах поведение не меняется, если «прокрутить время назад». Однако у электронов есть спин и магнитный момент, которые при обращении времени меняют своё направление, ломая симметрию и позволяя существовать определённым электрическим явлениям.
Для доказательства альтермагнитной природы материала, ученые использовали фотоэлектронную микроскопию. Применяя циркулярно поляризованное рентгеновское излучение, они визуализировали магнитные домены, созданные нарушением симметрии обращения времени. Горизонтально или вертикально поляризованное рентгеновское излучение позволило им измерить направление магнитных моментов. Таким образом, команда доказала, что ранее считавшийся антиферромагнитным теллурид марганца, является альтермагнетиком.
В ходе исследования ученым удалось не только подтвердить существование нового типа магнетизма, но и создать из альтермагнетика работающие устройства. Применяя контролируемые циклы нагрева, они манипулировали магнитными доменами и создали экзотические вихревые текстуры в гексагональных и треугольных структурах. Эти вихри, так называемые магнитные воронки, считаются перспективными носителями информации в спинтронике – области электроники, использующей спин электрона.
Теория альтермагнетизма была впервые предложена в 2022 году, но до сих пор не было экспериментальных подтверждений. Открытие группы из Ноттингема не только подтвердило теоретические предсказания, но и открыло путь к практическому применению альтермагнетиков.
Помимо магнитных запоминающих устройств, альтермагнетики могут способствовать развитию сверхпроводимости. Как отметил Альфред Дал Дин, альтермагнетизм является недостающим звеном в понимании симметрии между магнетизмом и сверхпроводимостью.
«Различные аспекты магнетизма становятся более четкими в зависимости от выбранной поляризации рентгеновских лучей,» – комментирует Оливер Амин. «Мы смогли сформировать эти экзотические вихревые структуры как в шестиугольных, так и в треугольных устройствах. Эти вихри привлекают все большее внимание в спинтронике в качестве потенциальных носителей информации, поэтому это был хороший первый пример того, как создать практическое устройство».
Открытие альтермагнетизма является фундаментальным шагом в понимании магнетизма и открывает новые перспективы в развитии современных технологий, от высокоскоростных запоминающих устройств до будущих сверхпроводящих систем.
