В мире квантовых материалов даже самые незначительные изменения могут привести к революционным открытиям. Исследователи из Университета Сент-Эндрюс совершили прорыв, изучив магнитоупругую связь — явление, при котором магнитное поле вызывает деформацию материала. Их работа не только подтвердила почти столетнее теоретическое предсказание, но и выявила неожиданно сильный эффект в оксидах переходных металлов — классе соединений, включающем высокотемпературные сверхпроводники.
Это открытие имеет далеко идущие последствия: от разработки новых материалов с управляемыми магнитными свойствами до создания более эффективных технологий хранения данных и квантовых вычислений. Уникальность исследования заключается в том, что ученые смогли измерить структурные изменения на уровне сотен фемтометров (квадриллионных долей метра), что потребовало невероятной точности и специально созданных сверхчувствительных микроскопов.
Суть открытия: Неожиданно сильная магнитоупругая связь
Команда под руководством Каролины Маркес изучала, как магнитное упорядочивание атомов влияет на кристаллическую решетку оксида переходного металла. Ожидалось, что изменения будут минимальными, но эксперимент показал обратное: даже небольшие сдвиги в магнитной конфигурации приводили к значительным деформациям материала.
Используя сверхнизкотемпературную сканирующую туннельную микроскопию (СТМ), ученые смогли раздельно контролировать намагниченность поверхности материала. Это позволило им наблюдать, как антипараллельное (противоположно направленное) и параллельное выравнивание магнитных моментов влияет на электронные состояния и структуру.
Подтверждение теории Бете-Слейтера
Одним из ключевых результатов исследования стало прямое подтверждение кривой Бете-Слейтера — концепции, предложенной в 1930-х годах для описания зависимости между магнитным порядком и межатомными расстояниями. Хотя изначально эта теория применялась к простым металлам, оказалось, что она работает и в сложных оксидных системах.
Примечательно, что наблюдаемые деформации оказались значительно сильнее, чем предсказывали современные модели. Это говорит о том, что взаимодействие между магнетизмом и кристаллической решеткой в оксидах переходных металлов может быть гораздо более существенным, чем считалось ранее.
Технологические перспективы: Новые методы управления магнитными состояниями
Каролина Маркес отметила, что открытие может привести к появлению принципиально новых способов считывания и управления магнитными состояниями в материалах. Например, если магнитные свойства можно детектировать через структурные изменения (или наоборот), это открывает путь к созданию более компактных и энергоэффективных устройств хранения данных.
Профессор Питер Валь подчеркнул, что понимание корреляций между электронами, структурой и магнетизмом критически важно для таких технологий, как высокотемпературная сверхпроводимость. Улучшение стабильности сверхпроводящих материалов может сделать их пригодными для применения в энергетике, транспорте и квантовых компьютерах.
Исследование Университета Сент-Эндрюс не только углубляет наше понимание фундаментальной физики, но и прокладывает путь к практическим инновациям. Оно демонстрирует, что даже в хорошо изученных классах материалов могут скрываться неожиданные явления, способные изменить технологический ландшафт.
В будущем подобные открытия могут привести к созданию материалов с программируемыми свойствами, где магнитные и структурные характеристики можно тонко настраивать для конкретных применений — от спинтроники до экологически чистой энергетики. Это еще один шаг к тому, чтобы квантовые материалы стали основой технологий следующего поколения.