Вчені знайшли третій тип магнетизму: новий матеріал може змінити електроніку

Північного та південного полюсів може бути недостатньо. Фізики отримали перші експериментальні докази третього типу магнетизму — алтермагнетизму. Новий матеріал може поєднувати властивості двох відомих форм магнетизму та потенційно відкрити шлях до компактнішої й енергоефективнішої електроніки.

Магнетизм лежить в основі багатьох сучасних технологій — від електродвигунів і генераторів до медичного обладнання та систем зберігання даних. Але різні типи магнітного порядку мають свої обмеження.

У феромагнетиках магнітні моменти частинок спрямовані переважно в один бік. Так виникає звичне магнітне поле з північним і південним полюсами. Проблема в тому, що таке поле може створювати небажані перешкоди для електроніки.

В антиферомагнетиках сусідні магнітні моменти спрямовані у протилежні боки й компенсують один одного. Зовнішнього магнітного поля практично немає, але разом із ним втрачається й здатність ефективно розділяти електрони за їхнім спіном.

Саме тут і з’являється алтермагнетизм.

Магнітний «сендвіч» із трьох елементів

У дослідженні, опублікованому в Nature Communications, фізики вивчали матеріал під назвою Co₁/₄TaSe₂. Він складається лише з кобальту, танталу та селену, але має шарувату структуру. Щоб отримати придатні для експериментів кристали, матеріал протягом приблизно двох тижнів витримували за температури понад 900 °C.

У структурі шари танталу та селену чергуються з атомами магнітного металу кобальту. Така будова впливає на поведінку електронів усередині матеріалу.

Щоб перевірити його магнітні властивості, дослідники використали комп’ютерне квантове моделювання та ARPES — кутороздільну фотоелектронну спектроскопію.

Цей метод дозволяє за допомогою світла вибивати електрони з матеріалу й аналізувати їхню енергію та напрямок руху. Так учені можуть відтворити своєрідну карту електронних станів.

Саме ця карта дала ключову підказку: електронні стани в матеріалі виявилися розділеними, причому вони мали протилежні спінові поляризації.

Чому це важливо

Спін електрона — квантова властивість частинки, яку можна умовно описати двома напрямками. І саме можливість керувати спіном лежить в основі перспективної галузі спінтроніки.

Феромагнетики добре розділяють електрони за спіном, але створюють небажані магнітні поля. Антиферомагнетики, навпаки, практично не створюють таких полів, але не мають настільки зручного спінового розділення.

Алтермагнетизм потенційно дозволяє отримати спін-поляризовані електронні стани без значних паразитних магнітних полів. Саме тому дослідники розглядають такі матеріали як можливу основу для майбутніх спінтронних пристроїв, надшвидкої пам’яті, терагерцових мереж та енергоефективної електроніки.

Втім, до появи таких пристроїв ще далеко. Ученим необхідно краще зрозуміти природу алтермагнетизму, його взаємодію з іншими магнітними явищами та можливості практичного керування цими властивостями.

Поки що Co₁/₄TaSe₂ дає фізикам нову платформу для вивчення незвичайної поведінки електронів. А якщо властивості алтермагнітних матеріалів вдасться стабільно використовувати в технологіях, майбутнє електроніки справді може виявитися значно тоншим — і навіть шаруватим.