Вчені відкрили третій тип магнетизму — він покращить накопичувачі та допоможе отримати надпровідність

Абстрактне концепт-арт із двома веселковими стрілками Абстрактний концептуальний малюнок, що показує, як працює альтермагнетизм / Алекс Спід

Дослідники докази існування третього класу магнетизму — альтермагнетизму. Відкриття дозволить створювати швидкісні магнітні накопичувачі та полегшити розробку надпровідників.

«Раніше ми мали два добре відомі типи магнетизму. Феромагнетизм, де магнітні моменти, які можна уявити як маленькі стрілки компаса на атомній шкалі, усі вказують в одному напрямку. А також антиферомагнетизм, де сусідні магнітні моменти вказують у протилежних напрямках — ви можете уявити це більше як шахівницю чергування білих та чорних клітин», — каже автор дослідження Олівер Амін, докторант Ноттінгемського університету у Великій британії.

Спіни електронів в електричному струмі вказують в одному з двох напрямків та можуть вирівнюватися уздовж або протилежно до цих магнітних моментів, щоб зберігати або переносити інформацію, утворюючи основу пристроїв магнітної пам’яті.

Альтемагнітні матеріали, вперше створені у 2022 році, мають структуру, яка знаходиться десь посередині. Кожен окремий магнітний момент вказує в протилежному напрямку, ніж його сусід, як в антиферомагнітному матеріалі. Але кожний трохи закручена відносно сусіднього магнітного атома, що призводить до деяких нових феромагнітних властивостей. Альтермагнетики поєднують у собі найкращі властивості як феромагнітних, так і антиферомагнітних матеріалів.

«Перевага феромагнетиків полягає в тому, що ми маємо простий спосіб читання та запису даних у пам’яті за допомогою цих верхніх або нижніх доменів. Але оскільки ці матеріали мають чистий магнетизм, цю інформацію також легко втратити через дотик магніту», — каже співавтор дослідження Альфред Дал Дін, докторант Ноттінгемського університету.

Навпаки, антиферомагнітними матеріалами набагато складніше маніпулювати для зберігання інформації. Оскільки вони мають нульовий магнетизм, зберігання інформація в цих матеріалах є набагато безпечнішим, а швидкість передавання краща.

Альтермагнетикам притаманна швидкість та стійкість антиферомагнетиків, але вони також мають важливу властивість феромагнетиків, яка зветься порушенням зворотної симетрії у часі. Тобто якби було можливо відмотати події у часі назад, частинки поводилися т би та само. Однак, оскільки електрони мають як квантовий спін, так і магнітний момент, уявний розворот часу та напрямку руху змінює обертання, тобто симетрія порушується.

«Якщо ви подивитеся на ці дві електронні системи — одну, де час йде нормально, а іншу, де ви перемотуєте назад, — вони виглядають по-різному, тож симетрія порушується. Це дозволяє існувати певним електричним явищам», — пояснив Олівер Амін.

Команда на чолі з Пітером Уодлі , професором фізики Ноттінгемського університету, використала техніку під назвою фотоемісійна електронна мікроскопія для створення зображення структури та магнітних властивостей телуриду марганцю, матеріалу, який раніше вважався антиферомагнітним.

Спецпроєкти

Циркулярно поляризоване світло виявило різні магнітні домени, створені порушенням симетрії у часі, тоді як горизонтально або вертикально поляризовані рентгенівські промені дозволили виміряти напрямок магнітних моментів у всьому матеріалі. Об’єднавши результати обох експериментів, дослідники створили першу в історії карту відмінних магнітних доменів та структур в альтермагнітному матеріалі.

Маючи це підтвердження концепції, команда виготовила серію альтермагнітних пристроїв, маніпулюючи внутрішніми магнітними структурами за допомогою техніки контрольованого теплового циклу.

«Ми змогли сформувати ці екзотичні вихрові текстури як у шестикутних, так і в трикутних пристроях. Ці вихори привертають все більше уваги в спінтроніці як потенційні носії інформації, тому це був гарний перший приклад того, як створити робочий пристрій», — каже Олівер Амін.

Автори дослідження стверджують, що здатність створювати зображення та керувати цією новою формою магнетизму може революціонізувати дизайн пристроїв пам’яті наступного покоління зі збільшенням операційної швидкості та підвищеною стійкістю та простотою використання. Альтермагнетизм також допоможе в розвитку надпровідності: «Довгий час у симетрії між цими двома областями існувала діра, і цей клас магнітних матеріалів, який досі залишався невловним, виявився відсутньою ланкою в головоломці», — зазначає Альфред Дал Дін. Дослідження опубліковане в журналі Nature.