Швейцарские ученые в ходе экспериментальных исследований выявили, что новый материал проявляет магнитные характеристики благодаря ранее неизвестному механизму.
Магнетизм – это характеристика, присущая некоторым веществам, но отсутствующая у других. Этот эффект обусловлен перемещением электронов в атомах материала, что приводит к образованию магнитного поля. Данное поле способно оказывать притягивающее или отталкивающее воздействие на другие материалы.
Самый известный вид магнетизма — так называемый ферромагнетизм. Он обусловлен ориентацией спинов электронов (спин — это вращение, или собственный момент импульса электрона), приводящей к их выстраиванию в одном направлении. Явление это знакомо людям, например, при использовании магнитов на дверце холодильника. Однако, существуют и другие типы магнетизма. Среди них парамагнетизм — парамагнетизм представляет собой менее выраженную форму ферромагнетизма. Он проявляется, когда спины электронов ориентированы хаотично и не обладают достаточной степенью упорядоченности.
Физики из Швейцарской высшей технической школы Цюриха совершили открытие нового типа магнетизма. Этот результат был получен в ходе экспериментов с муаровыми материалами. Ученые создали их, объединив атомарно тонкие слои двух различных полупроводников: диселенида молибдена и дисульфида вольфрама. Эти материалы характеризуются структурой двумерной (плоской) «решетки», которую можно насытить электронами путем подачи электрического напряжения.
«В последние годы муаровые материалы привлекают значительное внимание, так как они позволяют изучать квантовые эффекты, связанные с сильно взаимодействующими электронами. Тем не менее, сведения о их магнитных свойствах были весьма ограничены. Поэтому мы и решили провести исследование в этой области», — пояснил Руководителем исследовательской группы является Атача Имамоглу.
Для определения типа магнетизма, присущего этим муаровым материалам, Имамоглу и его коллеги начали с насыщения материала электронами. Они подавали электрический ток, постепенно повышая напряжение, чтобы «наполнить» материал электронами. Далее ученые облучали материал лазерным светом и фиксировали степень отражения света при разных поляризациях. Поляризация отражала направление колебаний электромагнитного поля: она могла свидетельствовать об упорядоченности спинов электронов в одном направлении (что характерно для ферромагнетизма) или о хаотичном расположении спинов (что указывает на парамагнетизм).
Первоначально материал демонстрировал парамагнитные свойства. Однако, при увеличении концентрации электронов в решетке, наблюдался резкий и неожиданный переход в магнитное состояние. Материал начал проявлять признаки ферромагнетизма. Этот сдвиг происходил в тот момент, когда ученые добавляли более одного электрона на каждую доступную позицию в муаровой решетке.
«Имамоглу сообщил об обнаружении нового типа магнетизма, не поддающегося объяснению посредством обменного взаимодействия. По его словам, если бы обменное взаимодействие являлось причиной этого магнетизма, оно бы проявлялось даже при меньшей концентрации электронов в кристаллической структуре.
Физики предложили объяснение возникшего эффекта. Они считают, что при попадании более одного электрона в узлы решетки происходит их объединение в частицы, названные «дублонами». Эти дублоны, благодаря квантовому туннелированию, заполняют всю решетку. В то же время электроны снижают свою кинетическую энергию и выравнивают спины, что приводит к возникновению ферромагнетизма. Этот «кинетический магнетизм» предсказывался теоретиками на протяжении многих лет, но ранее не был зафиксирован в твердых материалах.
Чтобы более детально разобраться в этом явлении, швейцарские ученые намерены исследовать, сохраняются ли ферромагнитные характеристики материала при повышении температуры. Для проведения эксперимента материала пришлось охладить до температуры, составляющей одну десятую градуса Кельвина.
Более детальную информацию о результатах исследований можно найти в статье, опубликованной в журнале Nature.