Ученые открыли странную новую форму магнетизма
Ученые из ETH Zurich открыли новый тип магнетизма. Эксперименты показывают, что искусственно созданный материал становится магнитным по механизму, который раньше не наблюдался.
Самая известная форма магнетизма – та, которая присутствует в обычных магнитах на холодильнике – это так называемый ферромагнетизм, который возникает, когда спины всех электронов в материале указывают в одном направлении. Но есть и другие формы, такие как парамагнетизм, более слабая версия, которая возникает, когда спины электронов направлены в случайные стороны.
В новом исследовании ученые ETH обнаружили странную новую форму магнетизма. Исследователи изучали магнитные свойства муаровых материалов — экспериментальных материалов, полученных путем сложения двумерных листов диселенида молибдена и дисульфида вольфрама. Эти материалы имеют решетчатую структуру, которая может содержать электроны.
Чтобы выяснить, каким типом магнетизма обладают эти муаровые материалы, команда сначала «влила» в них электроны, подав электрический ток и постепенно увеличивая напряжение.
Затем, чтобы измерить его магнетизм, они направили лазер на материал и измерили, насколько сильно этот свет отражается для разных поляризаций, что может определить, направлены ли спины электронов в одном и том же направлении (что указывает на ферромагнетизм) или в случайных направлениях (для парамагнетизма).
Первоначально материал проявлял парамагнетизм, но по мере того, как ученые добавляли в решетку больше электронов, он продемонстрировал внезапный и неожиданный сдвиг, став ферромагнитным.
Интересно, что этот сдвиг произошел именно тогда, когда решетка заполнилась более чем на один электрон на узел решетки, что исключило обменное взаимодействие – обычный механизм, который управляет ферромагнетизмом.
«Это было поразительное свидетельство существования нового типа магнетизма, который нельзя объяснить обменным взаимодействием», — сказал Атач Имамоглу, ведущий автор исследования.
Ученые предложили другой механизм: когда в узлы решетки попадает более одного электрона, они объединяются в частицы, называемые «дублонами», которые в конечном итоге заполняют всю решетку посредством квантового туннелирования.
Однако при этом электроны минимизируют свою кинетическую энергию, что они и делают, выравнивая свои спины, создавая тем самым ферромагнетизм. Этот «кинетический магнетизм» теоретически предсказывался на протяжении десятилетий, но ранее не наблюдался в твердых материалах.
Исследователи планируют более внимательно изучить это явление, в том числе выяснить, можно ли его достичь при более высоких температурах. Ведь для этого эксперимента материал нужно было охладить почти до абсолютного нуля.
Исследование было опубликовано в журнале Nature.