В альтермагнетиках на соседних магнитных атомах чередуются не только направления спиновой поляризации (показаны фиолетовым и синим цветом), но и форма самих атомов (показана наклоном электронной плотности в двух разных направлениях). Синий луч показывает эксперимент по фотоэмиссии на синхротроне, который использовался для демонстрации альтермагнетизма.
Исследователи впервые экспериментально продемонстрировали существование нового типа магнита, известного как «альтермагнетик». Согласно теории, выдвинутой в 2022 году, он обладает свойствами как обычных ферромагнитов, так и антиферромагнитов — сочетание, которое ранее считалось невозможным. Подтверждение существования этого типа магнетизма может иметь серьезные последствия для разработки новых поколений сверхпроизводительных компьютеров, известных как «спинтроника».
До XX века считалось, что существует только один тип магнитов: ферромагниты. Это обычные магниты, с которыми мы все знакомы, например, магниты на холодильнике или на игле компаса. Их магнетизм проявляется, когда магнитные поля миллионов атомов, из которых они состоят, направлены в одну сторону. Другими словами, магнитные спины (квантовая характеристика частиц, тесно связанная с их вращательными свойствами) электронов ориентированы в одном и том же направлении, что создает так называемый «чистый макроскопический магнетизм».
Затем, в 1930-х годах, Луи Нель, французский физик, открыл другой тип магнита, известный как «антиферромагнитный». В магнитах этого типа спины электронов направлены в разные стороны, поэтому они не имеют чистой макроскопической намагниченности и не прилипают к железу (или стали, никелю или кобальту), как это делают ферромагнитные магниты. Это означает, что антиферромагниты не имеют внешнего магнитного поля.
В 2019 году появились предположения, что возможны материалы со спиновой структурой, которая не соответствует ни ферромагнетизму, ни антиферромагнетизму. В действительности, как и в антиферромагнетиках, спины чередуются, что не приводит к чистой макроскопической намагниченности. Однако их внутреннее магнитное поле может модулировать электрический ток, что больше соответствует ферромагнетику.
Только в 2022 году теоретики пришли к выводу, что это может быть новый тип магнита, известный как «альтермагнетик». Те же исследователи предсказали более 200 материалов-кандидатов, от изоляторов и полупроводников до металлов и сверхпроводников. Многие из них были хорошо известны и широко изучены, но никто не догадывался, что они являются альтермагнетиками.
«Недавно предсказанные альтермагнетики могут сочетать в себе преимущества ферромагнетиков и антиферромагнетиков, которые считались принципиально несовместимыми, а также обладают другими уникальными преимуществами, не встречающимися в других разновидностях«, — объясняет Томаш Юнгвирт из Института физики Чешской академии наук в пресс-релизе. В своем новом исследовании, недавно опубликованном в журнале Nature, Юнгвирт и его коллеги сообщают о первом экспериментальном доказательстве существования таких материалов.
Альтермагнетики имеют особое сочетание расположения спинов и кристаллической симметрии. В альтермагнетиках (справа) и антиферромагнетиках (в центре) спины чередуются, что дает кратковременную суммарную намагниченность. Однако в альтермагнетиках спины связаны вращательной симметрией. Тогда как в антиферромагнетиках они связаны трансляционной или инверсионной симметрией. В ферромагнетиках (слева) спины выравниваются, что приводит к резкой макроскопической намагниченности.
Необычные спиновые состояния
Чтобы подтвердить существование альтермагнетиков, ученые в новом исследовании проанализировали взаимодействие рентгеновских лучей с атомами кристаллов теллурида марганца. Этот двухэлементный материал традиционно считается антиферромагнитным, поскольку спины атомов марганца, входящих в его состав, направлены в противоположные стороны.
Однако анализ, проведенный исследователями, показал, что материал демонстрирует крамеровское спиновое вырождение. Это свойство, предсказанное для альтермагнетиков, приводит к разделению электронных полос, соответствующих различным спиновым состояниям. Другими словами, электроны разделяются на две группы, что позволяет им генерировать необычные движения, лежащие в основе альтермагнетизма. Эксперты смогли подтвердить, что это действительно альтермагнетик, когда обнаружили, что макроскопическая намагниченность также отсутствует.
«Благодаря высокой точности и чувствительности наших измерений мы смогли обнаружить характерное попеременное разделение энергетических уровней, соответствующих противоположным спиновым состояниям, и таким образом продемонстрировать, что теллурид марганца не является ни классическим антиферромагнетиком, ни классическим ферромагнетиком, а принадлежит к новой альтермагнитной ветви«, — пояснил Юрай Кремпаски, ведущий автор нового исследования, в пресс-релизе Института Пауля Шеррера (Швейцария).
Идеальный материал для спинтронных компьютеров
Эти результаты могут иметь важное значение для разработки спинтронных компьютеров. В то время как электроника использует заряд электронов для переноса информации, эти устройства будут использовать состояние спинов электронов, что может значительно увеличить их производительность с точки зрения скорости и емкости памяти.
В последние годы спинтроника изучается с точки зрения ее потенциального применения в вычислительной технике. Используемые методы основаны на ферромагнетиках, поскольку они обладают тем преимуществом, что позволяют легко использовать спиновое состояние. Однако чистая макроскопическая намагниченность накладывает ограничения на масштабируемость этих устройств, поскольку препятствует плавной передаче компьютерных битов. Это заставило ученых обратиться к антиферромагнитам, но и здесь спин-зависимые эффекты отсутствуют.
Альтермагнетики, с другой стороны, обладают обоими преимуществами: нулевой чистой намагниченностью и столь желанными спин-зависимыми явлениями. «В этом и заключается магия альтермагнетиков. Это то, что люди считали невозможным, пока недавние теоретические предсказания не сделали это возможным«, — говорит Юнгвирт.
Помимо спинтронных компьютеров, альтермагнетики могут улучшить наше понимание физики конденсированных сред или послужить платформой для изучения новой формы сверхпроводимости.
