В обычных магнитах небольшие магнитные составляющие выравниваются друг с другом, создавая сильное магнитное поле. В отличие от этого, недавно обнаруженный магнит — так называемый синглетный магнит — имеет поля, которые появляются и исчезают, что приводит к нестабильному магнитному полю.
Идея создания магнитов на синглетной основе восходит к 1960-м годам и основана на теории, которая резко контрастирует с тем, что давно было известно об обычных магнитах.
Типичный магнит содержит множество крошечных «магнитных моментов», которые синхронизированы с другими магнитными моментами, и все они действуют в унисон, создавая магнитное поле. Воздействие тепла на эту сборку устранит магнетизм; эти маленькие моменты останутся — но они будут указывать в случайных направлениях, уже не выровненные.
Новаторская мысль пятидесятилетней давности утверждала, что материал, в котором отсутствуют магнитные моменты, все еще может быть магнитом. Это кажется невозможным, но это работает из-за своего рода временного магнитного момента, называемого «спиновым экситоном», который может появиться, когда электроны сталкиваются друг с другом в правильных условиях.
«Один спиновый экситон имеет тенденцию исчезать в короткие сроки, но если их много, теория предполагает, что они могут стабилизировать друг друга и катализировать появление еще большего количества спиновых экситонов в виде каскада», — сказал ведущий автор исследования Эндрю Рэй, ученый Нью-Йоркского университета.
В новом исследовании доктор Рэй и его коллеги стремились раскрыть это явление. Несколько кандидатов были найдены начиная с 1970-х годов, но всех было трудно изучить, так как магнетизм стабилен только при чрезвычайно низких температурах.
Используя рассеяние нейтронов, рентгеновское рассеяние и теоретическое моделирование, физики установили связь между поведением гораздо более надежного магнита, антимонида урана USb2, и теоретическими характеристиками магнитов на синглетной основе.
© Lin Miao, New York University
«Этот материал был настоящей загадкой в течение последних нескольких десятилетий — способы, которыми магнетизм и электричество взаимодействуют друг с другом внутри него, были известны как причудливые и только начинают приобретать смысл с этой новой классификацией», — говорят исследователи.
В частности, команда физиков обнаружила, что USb2 содержит критические ингредиенты для этого типа магнетизма — в частности, квантово-механическое свойство, называемое «Hundness», которое определяет, как электроны генерируют магнитные моменты.
«В настоящее время проводится множество исследований по использованию магнитов и магнетизма для улучшения технологий хранения данных», — говорит Эндрю Рэй. «Магниты на синглетной основе должны иметь более внезапный переход между магнитной и немагнитной фазами. Вам не нужно делать много усилий, чтобы материал переключался между немагнитным и сильно магнитным состояниями, что может быть полезным для энергопотребления и скорости переключения внутри компьютера».
Lin Miao et al. 2019. High temperature singlet-based magnetism from Hund’s rule correlations. Nature Communications 10, article number: 644; doi: 10.1038/s41467-019-08497-3