На протяжении тысячелетий людей привлекала кажущаяся магия магнитов. Древнегреческие философы верили, что темные камни, называемые магнитами, обладают душой из-за их способности перемещать железные хлопья.
Физики теперь знают, что магнитные материалы черпают свою силу из поведения атомов внутри них. Но магнетизм все еще хранит тайны. Недавно исследователи обнаружили признаки совершенно нового класса магнетизма, обладающего характеристиками каждого из двух традиционных видов: ферромагнетизма и антиферромагнетизма.
Согласно теоретическим предсказаниям, более 200 материалов должны продемонстрировать это новооткрытое явление, и физики приближаются к прямым экспериментальным доказательствам этого, что может привести к созданию более эффективных электронных устройств. Они уже нашли несколько материалов, которые, кажется, демонстрируют этот «фундаментально новый тип магнетизма», говорит Пол МакКларти, физик из Лаборатории Леона Бриллюэна. «Это расширяет наше понимание того, как может работать материя».
Внутри твердых материалов атомы окружены электронами, каждый из которых обладает свойством, называемым вращением, которое наделяет каждый атом собственным крошечным магнитным полем. Полный спин каждого атома представлен стрелкой, которая может указывать в разных направлениях. В ферромагнетиках все спины внутри материала выровнены, в результате чего образуется чистое магнитное поле. Помимо приклеивания фотографий на холодильник, ферромагнетики полезны тем, что их спины можно легко перевернуть, приложив другое магнитное поле, создавая отдельные состояния, которые можно использовать в качестве компьютерной памяти. Этот метод породил новую технологию спинтроники, в которой информация кодируется с помощью спина электрона, а не заряда.
В 1930-х годах ученые поняли, что гораздо чаще спины соседних атомов направлены в противоположные стороны, поэтому их суммарная намагниченность компенсируется. Поскольку шахматное расположение гораздо более стабильно, чем однородное, эти антиферромагнетики практически невозможно намагничить приложенными магнитными или электрическими полями. Когда французский физик Луи Неель получил Нобелевскую премию в 1970 году за новаторскую работу по антиферромагнетизму, он назвал это явление «интересным, но бесполезным». Тем не менее, эта концепция оказалась полезной: во время Второй мировой войны электрические катушки использовались, чтобы заставить корпуса кораблей вести себя как антиферромагнетики и уклоняться от мин, ищущих магниты.
Совсем недавно ученые начали разрабатывать стратегии создания устройств спинтроники из антиферромагнетиков. Хотя их жесткими спинами сложнее манипулировать, в принципе они могут переворачиваться в 1000 раз быстрее, чем в ферромагнетиках, что позволяет более эффективно хранить и обрабатывать информацию.
Несколько лет назад Либор Шмейкал, физик из Майнцского университета имени Иоганна Гутенберга, искал возможный антиферромагнитный материал для спинтроники. Он наткнулся на соединение под названием диоксид рутения, которое казалось многообещающим, но странным. Его расчеты показали, что он не должен иметь суммарной намагниченности, как обычный антиферромагнетик. Но он также предсказал, что под воздействием электрического тока материал будет вести себя как ферромагнетик: магнитные силы в материале будут отклонять электроны в токе, что приведет к возникновению сильного напряжения в перпендикулярном направлении. В 2020 году группа из Китая экспериментально подтвердила парадоксальные свойства диоксида рутения.
В следующем году Шмейкал и его коллеги выдвинули предложение, объясняющее, как такие материалы, как диоксид рутения, могут быть частично ферромагнетиком и частично антиферромагнетиком. Их назвали альтермагнетиками. В большинстве материалов электронные спиновые стрелки совпадают с ориентацией их атомов внутри кристаллической решетки. Но в некоторых материалах спиновые стрелки могут вращаться независимо от атомов, и Шмейкал и его коллеги рассмотрели вариант, в котором каждый второй атом поворачивается на 90°, а его спин переворачивается на 180°.
Свойства большинства магнитных материалов зависят от того, направлено ли магнитное поле каждого атома, обозначаемое его вращением, вверх (розовый) или вниз (синий). В альтермагнетиках атомы и их спины вращаются независимо, что придает им свойства как ферромагнетиков, так и антиферромагнетиков.
Альтермагнетики сочетают в себе наиболее ценные свойства ферромагнетиков и антиферромагнетиков. Благодаря нулевой суммарной намагниченности они обладают стабильностью и высокой скоростью переворота спина, как антиферромагнетики. Но спины в альтермагнетике, как и в ферромагнетике, можно легко перевести в отдельные состояния вверх и вниз, что облегчает запись в память. «Вы также можете получить свой торт и съесть его», — говорит Хайро Синова, еще один физик из группы Майнца. В то время как ферромагнитные спины обычно переворачиваются под действием магнитных полей, спинами в альтермагнетиках можно манипулировать, применяя токи в разных направлениях.
Теоретики быстро приняли описание Шмейкала из-за его математической элегантности, но многие удивлены, что это явление так долго оставалось незамеченным. «Это одна из тех теоретических конструкций, которые не подлежат сомнению», — говорит Игорь Мазин из Университета Джорджа Мейсона. «Однако раньше это никогда не обсуждалось».
По прогнозам, более 200 материалов будут альтермагнетиками, что более чем вдвое превышает количество известных ферромагнитных материалов. Сейчас исследователи начинают искать это свойство, направляя лазерный луч на материал, чтобы заставить его выбрасывать электроны. Измеряя свойства этих электронов, ученые могут найти отличительную черту альтермагнетизма: уровни энергии, которые попадают в две отдельные зоны, отражающие электроны как со спином вверх, так и со спином вниз. (В антиферромагнетиках также есть электроны со спином вверх и вниз, но они находятся на одних и тех же энергетических уровнях.)
В прошлом месяце группа из Южной Кореи обнаружила предсказанное разделение энергий электронов в теллуриде марганца. Два дополнительных недавних исследования выявили аналогичные сигналы в теллуриде марганца и диоксиде рутения, а также попытались связать энергетические зоны с определенными спиновыми полярностями. «Кристально ясное доказательство действительно трудно получить экспериментально», — говорит Суён Ли из Сеульского национального университета, который руководил одним из последних исследований. «Но я бы сказал, что теперь у нас есть достаточно экспериментальных доказательств… того, что альтермагнетизм действительно существует».
МакКларти говорит, что новые эксперименты «согласуются с альтермагнетизмом», но раскрывают поведение вращения только через часть магнитного ландшафта материала. Пока экспериментаторы не уловят поведение всей трехмерной структуры, «я бы не стал вешать пальто», — говорит он. Кроме того, прежде чем альтермагнетики можно будет использовать в электронных устройствах, ученые должны научиться синтезировать материалы, которые имеют постоянную альтермагнитную ориентацию, а не лоскутное одеяло из смещающихся конфигураций.
Мазин говорит, что подтверждение альтермагнитного состава материалов почти наверняка. «В природе не существует другого способа, которым бы они не были», — говорит он. Он считает, что усилия по проверке сродни «эксперименту, который доказывает, что дважды два — четыре».
Но для Ли эта охота обещает другие плоды: возможность исследовать возникающие сложные явления, которые могут найти практическое применение. «Я думаю, что это отправная точка для совершенно новой области альтермагнетизма», — говорит Ли.
