Вчені дослідили новий вимір магнетизму

Дослідники з Університету Майнца змогли візуалізувати дію третього класу магнетизму, який називається альтермагнетизмом. Феромагнетизм і антиферомагнетизм давно відомі вченим як два класи магнітного порядку матеріалів. Ще у 2019 році дослідники з Університету Йоганна Гутенберга Майнца (JGU) постулювали третій клас магнетизму, який називається альтермагнетизмом. З тих пір цей альтермагнетизм є предметом гарячих дискусій серед експертів, деякі висловлюють сумніви щодо його існування.

Нещодавно група експериментальних дослідників під керівництвом професора Ганса-Йоахіма Елмерса з JGU змогла вперше виміряти на DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) ефект, який вважається ознакою альтермагнетизму, таким чином надаючи докази існування цього третього типу магнетизму. Результати дослідження були опубліковані в Science Advances.

Альтермагнетизм – нова магнетична фаза

У той час як у феромагнетиків, які ми всі знаємо з магнітів на холодильник, усі їх магнітні моменти спрямовані в одному напрямку, антиферомагнетики мають змінні магнітні моменти. Таким чином, на макроскопічному рівні магнітні моменти антиферомагнетиків гасять один одного, тому немає зовнішнього магнітного поля, яке призвело б до того, що магніти на холодильник, виготовлені з цього матеріалу, просто падали б з дверцят холодильника. Магнітні моменти в альтермагнетиках відрізняються за способом їх орієнтації.

«Альтермагнетики поєднують у собі переваги феромагнетиків і антиферомагнетиків. Їхні сусідні магнітні моменти завжди антипаралельні один одному, як в антиферомагнетиках, тому немає макроскопічного магнітного ефекту, але в той самий час вони виявляють спін-поляризований струм –, так само як феромагнетики», – пояснив професор Ганс-Йоахім Елмерс, керівник групи магнетизму в Інституті фізики JGU.

Рухається в одному напрямку з рівномірним обертанням

Електричні струми зазвичай створюють магнітні поля. Однак, якщо розглядати альтермагнетик як ціле, інтегруючи спінову поляризацію в електронних зонах у всіх напрямках, стає очевидним, що магнітне поле має дорівнювати нулю, незважаючи на спін-поляризований струм. Якщо, з іншого боку, увагу обмежити тими електронами, які рухаються в певному напрямку, то можна зробити висновок, що вони повинні мати однорідний спін.

«Це явище вирівнювання не має нічого спільного з просторовим розташуванням або місцем розташування електронів, а лише з напрямком швидкості електронів», — додав Елмерс. Оскільки швидкість (v), помножена на масу (M), дорівнює імпульсу (P), фізики використовують у цьому контексті термін «простір імпульсу». Цей ефект був передбачений у минулому теоретичними групами JGU на чолі з професором Хайро Сіновою та доктором Лібором Шмейкалом.

Доказ отримано за допомогою імпульсної електронної мікроскопії

«Наша команда була першою, хто експериментально підтвердив ефект», — сказав Елмерс. Дослідники використовували спеціально адаптований імпульсний мікроскоп. Для свого експерименту команда піддала рентгенівському випромінюванню тонкий шар діоксиду рутенію. Результуюче збудження електронів було достатнім для їх випромінювання із шару діоксиду рутенію та їх детектування. На основі розподілу швидкостей дослідники змогли визначити швидкість електронів у діоксиді рутенію. І за допомогою рентгенівського випромінювання з круговою поляризацією вони навіть змогли визначити напрямок обертання.

Для свого імпульсного мікроскопа дослідники змінили фокальну площину, яка зазвичай використовується для спостереження в стандартних електронних мікроскопах. Замість збільшеного зображення поверхні плівки оксиду рутенію їхній детектор показав представлення імпульсного простору. «У різних місцях детектора з’являються різні імпульси. Простіше кажучи, різні напрямки, в яких рухаються електрони в шарі, представлені відповідними точками на детекторі», — сказав Елмерс.

Альтермагнетизм також може мати відношення до спінтроніки. Це передбачало б використання магнітного моменту електронів замість їхнього заряду в динамічній пам’яті з довільним доступом. В результаті ємність зберігання може бути значно збільшена. «Наші результати можуть стати розв’язанням головної проблеми в галузі спінтроніки», — припустив Елмерс. «Використання потенціалу альтермагнетиків полегшило б читання збереженої інформації на основі спінової поляризації в електронних діапазонах».