Учёные обнаружили новую, третью форму магнетизма, которая может стать «недостающим звеном» в поисках сверхпроводимости

Учёные нашли скрытую третью форму магнетизма, которая может помочь решить давнюю загадку сверхпроводников. Исследователи представили первые убедительные доказательства существования этой третьей формы магнетизма, называемой альтермагнетизмом. Их открытия, опубликованные 11 декабря в журнале Nature, могут революционизировать разработку новых высокоскоростных магнитных запоминающих устройств и стать недостающим элементом в разработке более эффективных сверхпроводящих материалов.

«Ранее у нас было два хорошо известных типа магнетизма», — сообщил автор исследования Оливер Амин, постдокторский исследователь Университета Ноттингема в Великобритании, в интервью Live Science. «Ферромагнетизм, при котором магнитные моменты, которые можно представить как маленькие стрелки компаса на атомном уровне, направлены в одну сторону. И антиферромагнетизм, при котором соседние магнитные моменты направлены в противоположные стороны — это можно представить как шахматную доску, на которой чередуются белые и черные клетки». Спины электронов в электрическом токе должны указывать в одном из двух направлений и могут выстраиваться в соответствие или наоборот с этими магнитными моментами, чтобы хранить или передавать информацию, что является основой для магнитных запоминающих устройств.

Новая форма магнетизма

Альтермагнитные материалы, впервые теоретически описанные в 2022 году, имеют структуру, которая находится где-то между этими двумя типами. Каждый отдельный магнитный момент направлен в противоположную сторону от своего соседа, как в антиферромагнитном материале. Однако каждый атом слегка скручен относительно этого соседнего атома, что приводит к проявлению некоторых свойств, схожих с ферромагнетизмом. Таким образом, альтермагнеты сочетают лучшие свойства как ферромагнитных, так и антиферромагнитных материалов.

«Преимущество ферромагнитов заключается в том, что мы можем легко считывать и записывать информацию, используя эти домены, направленные вверх или вниз», — рассказал соавтор исследования Альфред Дал Дин, аспирант того же университета. «Но поскольку эти материалы имеют чистое магнитное поле, эту информацию легко стереть, просто проведя магнитом по поверхности». С другой стороны, манипулировать антиферромагнитными материалами для хранения информации гораздо сложнее. Однако поскольку у этих материалов магнитный момент равен нулю, информация в них гораздо более защищена и может передаваться быстрее. «Альтермагнеты обладают скоростью и стойкостью антиферромагнитов, но также имеют важное свойство ферромагнитов, называемое нарушением симметрии обратимости времени», — сказал Дал Дин. Это завораживающее свойство касается симметрии объектов, движущихся вперёд и назад во времени.

«Например, частицы газа летают, случайным образом сталкиваясь и заполняя пространство», — объяснил Амин. «Если перемотать время назад, это поведение не изменится». Это значит, что симметрия сохраняется. Однако, поскольку электроны обладают как квантовым спином, так и магнитным моментом, то при обратном времени — и, следовательно, направлении движения — спин меняется, что нарушает симметрию. «Если вы посмотрите на эти две системы электронов — одну, где время идёт нормально, и другую, где оно перемотано назад, — они выглядят по-разному, значит, симметрия нарушена», — объяснил Амин. «Это позволяет существовать определённым электрическим явлениям».

Поиск «недостающего звена» сверхпроводимости

Команда, возглавляемая профессором физики Петером Уэдли из Университета Ноттингема, использовала метод фотоэмиссионной электронной микроскопии, чтобы изучить структуру и магнитные свойства теллурида марганца, материала, который ранее считался антиферромагнитным. «Разные аспекты магнетизма становятся видимыми в зависимости от поляризации рентгеновских лучей, которые мы выбираем», — сказал Амин. Круговая поляризация света выявила различные магнитные домены, созданные нарушением симметрии обратимости времени, в то время как горизонтально или вертикально поляризованные рентгеновские лучи позволили команде измерить направление магнитных моментов по всему материалу. Скомбинировав результаты обеих экспериментов, исследователи создали первую в истории карту различных магнитных доменов и структур внутри альтермагнитного материала. С этим доказательством концепции в руках команда создала серию альтермагнитных устройств, манипулируя внутренними магнитными структурами с помощью контролируемой термической цикличности.

«Нам удалось создать эти экзотические вихревые текстуры как в шестиугольных, так и в треугольных устройствах», — сказал Амин. «Эти вихри привлекают всё больше внимания в спинтронике как потенциальные носители информации, так что это был хороший первый пример того, как создать практическое устройство». Авторы исследования заявили, что возможность как визуализировать, так и контролировать эту новую форму магнетизма может революционизировать разработку устройств памяти следующего поколения с увеличенной рабочей скоростью, повышенной стойкостью и удобством использования. «Альтермагнетизм также поможет в разработке сверхпроводимости», — сказал Дал Дин. «Долгое время существовал пробел в симметриях между этими двумя областями, и этот класс магнитных материалов, который до сих пор оставался скрытым, оказывается тем самым недостающим звеном в головоломке».

• Как мозг строит сложные карты для навигации и запоминания мира
• Пластиковый лед
• Исследования показывают, что захват углерода дороже, чем переход на возобновляемые источники энергии
• Саудовской Аравии продолжает расти, страна ставит большие ставки на искусственный интеллект
• Новинка — наушники с обворачивающим дизайном для качественного звучания
• Если какой-либо ИИ станет «несоответствующим», система скроет это настолько долго, чтобы нанести вред — управление им — это заблуждение
• Модульный дизайн робота использует привязанные прыжки для исследования планет
• Воздушный робот может безопасно ориентироваться в незнакомых условиях на высоких скоростях