Магнетизм – это нечто большее, чем просто маленькие кухонные магниты, прилипающие к холодильнику. Это понимание пришло с открытием антиферромагнетиков почти столетие назад. С тех пор семейство магнитных материалов разделилось на две фундаментальные фазы: ферромагнитную ветвь, известную уже несколько тысячелетий, и антиферромагнитную ветвь.
Экспериментальное доказательство третьей ветви магнетизма, называемой альтермагнетизмом, было сделано в SLS в результате международного сотрудничества под руководством Чешской академии наук совместно с Институтом Пауля Шеррера PSI.
Фундаментальные магнитные фазы определяются специфическим спонтанным расположением магнитных моментов (или спинов электронов) и атомов, несущих эти моменты в кристаллах.
Ферромагнетики — это тип магнитов, которые прилипают к холодильнику: здесь вращение направлено в одном направлении, создавая макроскопический магнетизм. В антиферромагнитных материалах спины направлены в чередующихся направлениях, в результате чего материалы не обладают макроскопической чистой намагниченностью и, следовательно, не прилипают к холодильнику. Хотя другие типы магнетизма, такие как диамагнетизм и парамагнетизм, были разделены на категории, они описывают конкретные реакции на внешнее магнитное поле, а не спонтанное магнитное упорядочение в материалах.
Альтермагнетики имеют особое сочетание расположения спинов и симметрии кристаллов. Спины чередуются, как в антиферромагнетиках, что приводит к отсутствию суммарной намагниченности. Тем не менее, вместо того, чтобы просто компенсировать эти симметрии, они создают электронную зонную структуру с сильной спиновой поляризацией, которая меняет направление при прохождении через энергетические зоны материала – отсюда и название «альтермагнетики». Это приводит к очень полезным свойствам, более напоминающим ферромагнетики, а также к некоторым совершенно новым свойствам.
Новый и полезный вид
Этот третий магнитный вид предлагает явные преимущества для развивающейся области технологии магнитной памяти следующего поколения, известной как спинтроника. В то время как электроника использует только заряд электронов, спинтроника также использует спиновое состояние электронов для переноса информации.
Хотя спинтроника уже несколько лет обещает совершить революцию в сфере информационных технологий, она все еще находится в зачаточном состоянии. Обычно для таких устройств используются ферромагнетики, поскольку они обеспечивают определенные весьма желательные сильные, зависящие от спина физические явления. Тем не менее, макроскопическая чистая намагниченность, которая полезна во многих других приложениях, накладывает практические ограничения на масштабируемость этих устройств, поскольку она вызывает перекрестные помехи между битами — элементами, несущими информацию в хранилище данных.
Совсем недавно антиферромагнетики были исследованы для спинтроники, поскольку они не имеют чистой намагниченности и, таким образом, обеспечивают сверхмасштабируемость и энергоэффективность. Однако сильные спин-зависимые эффекты, которые так полезны в ферромагнетиках, отсутствуют, что снова затрудняет их практическое применение.
Сюда входят альтермагнетики, сочетающие в себе лучшее из обоих: нулевую суммарную намагниченность вместе с желанными сильными спин-зависимыми явлениями, обычно встречающимися в ферромагнетиках — достоинства, которые считались принципиально несовместимыми.
«В этом и заключается волшебство альтермагнетиков», — говорит Том Аш Юнгвирт из Института физики Чешской академии наук, главный автор исследования. «То, что люди считали невозможным до тех пор, пока не появились недавние теоретические предсказания, на самом деле возможно».
Поиск включен
Слухи о том, что есть новый тип магнетизма, начались не так давно: в 2019 году Юнгвирт вместе с коллегами-теоретиками из Чешской академии наук и Университета Майнца определил класс магнитных материалов со спиновой структурой, не укладывающейся в классические описания. ферромагнетизма или антиферромагнетизма.
В 2022 году теоретики опубликовали свои предсказания о существовании альтермагнетизма. Они обнаружили более двухсот кандидатов на альтермагнетики в различных материалах: от изоляторов и полупроводников до металлов и сверхпроводников.
Многие из этих материалов были хорошо известны и широко исследованы в прошлом, хотя их альтермагнитная природа не отмечалась. Из-за огромных возможностей для исследований и применения, которые открывает альтермагнетизм, эти предсказания вызвали большое волнение в обществе. Поиски продолжались.
Рентгеновские снимки доказывают
Для получения прямых экспериментальных доказательств существования альтермагнетизма потребовалось продемонстрировать уникальные характеристики спиновой симметрии, предсказанные в альтермагнетиках. Доказательство было получено с помощью фотоэмиссионной спектроскопии со спиновым и угловым разрешением на SIS (конечная станция COPHEE) и каналах ADRESS SLS. Этот метод позволил команде визуализировать характерную особенность в электронной структуре предполагаемого альтермагнетика: расщепление электронных зон, соответствующих различным спиновым состояниям, известное как снятие спинового вырождения Крамерса.
Открытие было сделано в кристаллах теллурида марганца, известного простого двухэлементного материала. Традиционно этот материал считался классическим антиферромагнетиком, поскольку магнитные моменты соседних атомов марганца направлены в противоположные стороны, создавая исчезающую суммарную намагниченность.
Однако антиферромагнетики не должны проявлять повышенное спиновое вырождение Крамерса из-за магнитного порядка, тогда как ферромагнетики или альтермагнетики должны. Когда ученые увидели подъем спинового вырождения Крамерса, сопровождавшийся исчезновением суммарной намагниченности, они поняли, что перед ними альтермагнит.
«Благодаря высокой точности и чувствительности наших измерений мы смогли обнаружить характерное попеременное расщепление энергетических уровней, соответствующих противоположным спиновым состояниям, и таким образом продемонстрировать, что теллурид марганца не является ни обычным антиферромагнетиком, ни обычным ферромагнетиком, а принадлежит к новой альтермагнитной ветви магнитных материалов», — говорит Юрай Кремпаски, научный сотрудник группы Beamline Optics Group в PSI и первый автор исследования.
Исследователи полагают, что это новое фундаментальное открытие в области магнетизма обогатит наше понимание физики конденсированного состояния, оказав влияние на различные области исследований и технологий.
Помимо своих преимуществ для развивающейся области спинтроники, оно также предлагает многообещающую платформу для изучения нетрадиционной сверхпроводимости посредством нового понимания сверхпроводящих состояний, которые могут возникать в различных магнитных материалах.
«Альтермагнетизм на самом деле не является чем-то чрезвычайно сложным. Это нечто совершенно фундаментальное, что десятилетиями было перед нашими глазами, но мы этого не замечали», — говорит Юнгвирт. «И это не то, что существует только в нескольких малоизвестных материалах. Он существует во многих кристаллы, которые люди просто хранили в своих ящиках. В этом смысле, теперь, когда мы вынесли это на свет, многие ученые во всем мире смогут над этим работать, что дает потенциал для широкого воздействия».
Исследование было опубликовано в журнале Nature.