Научный прорыв: найдено недостающее звено
Абстрактный концептуальный рисунок, показывающий, как будет работать новая форма «альтермагнетизма».
Исследователи получили первое убедительное доказательство существования неуловимого третьего класса магнетизма, названного альтермагнетизмом. Их выводы, опубликованные 11 декабря в журнале Nature, могут революционизировать дизайн новых высокоскоростных магнитных устройств памяти и предоставить недостающий элемент головоломки в разработке лучших сверхпроводящих материалов.
«Ранее у нас было два хорошо зарекомендовавших себя типа магнетизма», — рассказал Live Science автор исследования Оливер Амин, постдокторант в Ноттингемском университете в Великобритании. «Ферромагнетизм, где магнитные моменты, которые можно представить как маленькие стрелки компаса на атомном уровне, все указывают в одном направлении. И антиферромагнетизм, где соседние магнитные моменты указывают в противоположных направлениях — это можно представить как шахматную доску с чередующимися белыми и черными плитками».
Спины электронов в электрическом токе должны указывать в одном из двух направлений и могут выравниваться по или против этих магнитных моментов для хранения или переноса информации, образуя основу магнитных запоминающих устройств.
Новая форма магнетизма
Альтермагнитные материалы, впервые теоретизированные в 2022 году, имеют структуру, которая находится где-то посередине. Каждый отдельный магнитный момент указывает в противоположном направлении, как и его сосед, как в антиферромагнитном материале. Но каждая единица слегка повернута относительно этого соседнего магнитного атома, что приводит к некоторым ферромагнитным свойствам.
Таким образом, альтермагнетики сочетают в себе лучшие свойства как ферромагнитных, так и антиферромагнитных материалов. «Преимущество ферромагнетиков заключается в том, что у нас есть простой способ чтения и записи памяти с использованием этих доменов «вверх» или «вниз», — рассказал Live Science соавтор исследования Альфред Дал Дин, аспирант также в Ноттингемском университете. «Но поскольку эти материалы имеют чистый магнетизм, эту информацию также легко потерять, проведя над ней магнитом».
С другой стороны, антиферромагнитными материалами гораздо сложнее манипулировать для хранения информации. Однако, поскольку у них нулевой чистый магнетизм, информация в этих материалах гораздо более безопасна и быстрее передается. «Альтермагнетики обладают скоростью и устойчивостью антиферромагнетика, но у них также есть это важное свойство ферромагнетиков, называемое нарушением симметрии обращения времени», — сказал Дал Дин.
Это умопомрачительное свойство рассматривает симметрию объектов, движущихся вперед и назад во времени. «Например, частицы газа летают вокруг, хаотично сталкиваясь и заполняя пространство», — сказал Амин. «Если вы перемотаете время назад, это поведение не будет выглядеть иначе».
Это означает, что симметрия сохраняется. Однако, поскольку электроны обладают как квантовым спином, так и магнитным моментом, обращение времени — и, следовательно, направления движения — переворачивает спин, что означает, что симметрия нарушается. «Если вы посмотрите на эти две электронные системы — одну, где время идет нормально, и одну, где вы находитесь в перемотке, — они выглядят по-разному, поэтому симметрия нарушается», — объяснил Амин. «Это позволяет существовать определенным электрическим явлениям».
Поиск «недостающего звена» сверхпроводимости
Команда под руководством Питера Уэдли, профессора физики в Ноттингемском университете, использовала технику, называемую фотоэмиссионной электронной микроскопией, для изображения структуры и магнитных свойств теллурида марганца, материала, который ранее считался антиферромагнитным.
«Различные аспекты магнетизма становятся освещенными в зависимости от поляризации рентгеновских лучей, которые мы выбираем», — сказал Амин. Циркулярно поляризованный свет выявил различные магнитные домены, созданные нарушением симметрии обращения времени, в то время как горизонтально или вертикально поляризованные рентгеновские лучи позволили команде измерить направление магнитных моментов по всему материалу. Объединив результаты обоих экспериментов, исследователи создали первую в истории карту различных магнитных доменов и структур внутри альтермагнитного материала.
Имея этот доказательство концепции, команда изготовила серию альтермагнитных устройств, манипулируя внутренними магнитными структурами с помощью контролируемого метода термического циклирования.
«Мы смогли сформировать эти экзотические вихревые текстуры как в гексагональных, так и в треугольных устройствах», — сказал Амин. «Эти вихри привлекают все больше и 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 изображать, так и контролировать эту новую форму магнетизма может революционизировать дизайн запоминающих устройств следующего поколения с повышенной скоростью работы, повышенной устойчивостью и простотой использования.
«Альтермагнетизм также поможет в развитии сверхпроводимости», — сказал Дал Дин. «Долгое время существовал пробел в симметриях между этими двумя областями, и этот класс магнитного материала, который оставался неуловимым до сих пор, оказывается этим недостающим звеном в головоломке».
Суперспособности в наших генах: почему мы можем впадать в спячку как медведи?
Сообщение Научный прорыв: найдено недостающее звено появились сначала на DGL.RU - Цифровой мир: новости, тесты, обзоры телефонов, планшетов, ноутбуков.