Альтермагнит обнаружен на наноуровне и впервые им манипулируют

Исследователи впервые получили изображение и манипулировали альтермагнитом — новым типом магнетизма, впервые продемонстрированным экспериментально только в этом году. Команда подробно (в нанометрическом масштабе) зафиксировала расположение и ориентацию электронов — аспекты, которые имеют решающее значение для необычных магнитных характеристик материала и открывают путь для будущих практических применений.

Обычные магниты, известные как ферромагниты, прилипают к железу, стали, никелю и кобальту. Их магнетизм проявляется, когда электроны, входящие в их состав, ориентированы в одном направлении. Поэтому их магнитные спины (квантовая характеристика частиц, связанная с их вращательными свойствами) ориентированы в одном направлении, и это явление известно как «макроскопический чистый магнетизм».

В отличие от них, так называемые «антиферромагнитные» магниты имеют электроны, спины которых ориентированы попеременно в разные стороны. В отличие от ферромагнетиков, они не имеют чистой макроскопической намагниченности и поэтому не прилипают к железу (или стали, никелю или кобальту).

Хотя на первый взгляд эти свойства кажутся несовместимыми, было обнаружено, что некоторые материалы обладают обеими характеристиками одновременно. В ходе исследований были обнаружены странные материалы, спиновая структура которых не соответствует ни ферромагнитным, ни антиферромагнитным магнитам. Как и в антиферромагнетиках, их спины чередуются, что приводит к отсутствию четкой макроскопической намагниченности. Однако их внутреннее магнитное поле может модулировать электрический ток — свойство, характерное для ферромагнетиков.

Экспериментально продемонстрированные в феврале этого года, эти так называемые «альтермагнитные» материалы имеют разделение электронных полос, соответствующих различным спиновым состояниям. Другими словами, электроны разделяются на две группы, создавая необычные ориентации, которые характеризуют альтермагнетизм. Однако эти необычные свойства по-прежнему трудно контролировать и наблюдать, а их точное функционирование остается частично непонятным.

В новом исследовании, проведенном под руководством сотрудников Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL), впервые представлена детальная визуализация движения электронов внутри альтермагнетика. «В наших предыдущих работах мы измеряли поведение электронов и их спин во взаимном пространстве, но у нас не было прямого изображения того, как они организуются в реальном пространстве», — объясняет Хьюго Диль, соавтор исследования, в пресс-релизе EPFL.

Большие, настраиваемые структуры

Для наблюдения свойств альтермагнитов исследователи использовали поляризованную рентгеновскую фотоэмиссионную электронную микроскопию (PEEM), чтобы детально отобразить кристаллическую структуру решетки теллурида марганца (MnTe). Помимо высокой чувствительности к магнетизму и высокой степени специфичности к определенным элементам, эта техника позволяет одновременно получать изображения реального пространства материала в нанометрическом масштабе. Измерения проводились при температуре 100 Кельвинов (-173 °C) на пленке MnTe толщиной 30 нанометров, помещенной внутрь подложки из фосфида индия (InP).

Векторное отображение альтермагнитного порядка в MnTe. a. Ячейка MnTe со спинами Mn, коллинеарными легкой магнитной оси. b. Иллюстрация процесса векторного картирования. c — e, XMCD-PEEM (c), XMLD-PEEM (d) и векторная карта (e) области 25 мкм 2 непаттернированной пленки MnTe. f. Увеличенный вид области в рамке в e, в которой идентифицирована пара вихрь-антивихрь. g. Рентгеновский спектр поглощения (XAS), показанный черным цветом, и XMCD-спектр, показанный красным цветом.

Изображения показали направление магнитного спина в каждой точке альтермагнитной кристаллической решетки. Исследователи также обнаружили, что можно управлять каждой точкой спина на решетке. В частности, ориентация спинов контролировалась с помощью микроструктурирования и термоциклирования. Например, при температуре ниже 310 Кельвинов (36 °C) магнитный порядок находится в плоскости a-b пленки.

«Было удивительно видеть, как шесть возможных направлений сходятся в особых точках, называемых вихрями или антивихрями, и что мы можем перемещать их с помощью магнитных полей», — объясняет Дил. С другой стороны, электронно-лучевая литография (метод вытравливания рисунков на поверхности с помощью электронного луча) позволила создавать большие альтермагнитные структуры с индивидуальными свойствами.

«Продемонстрированное обнаружение и контролируемое формирование альтермагнитных спиновых конфигураций открывает путь для будущих экспериментальных исследований в области теоретических исследований альтермагнетизма», — пишут исследователи в своей работе, опубликованной в журнале Nature. К таким областям исследований относятся, например, взаимодействие альтермагнетизма со сверхпроводящими и топологическими фазами, а также высокоразвитые цифровые спинтронные и нейроморфные устройства. Эта работа может открыть путь к прогрессу в технологиях хранения и передачи данных.

Читайте все последние новости технологии на New-Science.ru

Запись Альтермагнит обнаружен на наноуровне и впервые им манипулируют впервые опубликована на сайте Про технологии.