Учёные из Швейцарии в ходе эксперимента выяснили, что новый материал проявляет магнитность благодаря доселе неизвестному механизму.
Магнетизм — это свойство некоторых материалов, вызванное движением электронов в их атомах. Это приводит к образованию магнитного поля, способного воздействовать на другие материалы, притягивая или отталкивая их.
Самый известный вид магнетизма — так называемый ферромагнетизмЕго вызывает ориентация спинов электронов. Спины — это свойственный импульс вращения. Люди испытывают его, к примеру, прикрепляя магнитики к двери холодильника. Но существует и другое разновидности магнетизма. парамагнетизмПарамагнетизм представляет собой менее выраженную форму ферромагнетизма.
Ученые из Швейцарской высшей технической школы Цюриха обнаружили новый вид магнетизма во время экспериментов с муаровыми материалами. Для получения этих материалов ученые сложили друг на друга атомарно тонкие слои двух полупроводниковых материалов: диселенида молибдена и дисульфида вольфрама. Данные материалы имеют двумерную (плоскую) структуру, которую можно «наполнить» электронами при подаче электрического напряжения.
В последнее время муаровые материалы привлекают большое внимание из-за возможности изучения квантовых явлений в сильно взаимодействующих электронах. Однако магнитные характеристики этих материалов изучены недостаточно. Авторы исследования решили восполнить этот пробел. пояснилРуководитель исследовательской группы – Атача Имамоглу.
Имамоглу с коллегами наполнили муаровый материал электронами, подав ему электрический ток и постепенно увеличивая напряжение. После этого физики осветили материал лазером и измерили отражаемую им свет в различных поляризациях. Поляризация света указывала на направление колебания электромагнитного поля: если спины электронов колеблются в одном направлении, то это ферромагнетизм, а случайные направления – парамагнетизм.
Материал первоначально обладал свойствами парамагнетизма. При увеличении количества электронов в решетке наблюдался резкий и неожиданный магнитный переход. Он начал проявлять себя как ферромагнетик. Переход происходил, когда ученые заполняли муаровую решетку более чем одним электроном на каждое свободное место.
Мы увидели новый тип магнетизма, непонятный с точки зрения обмена взаимодействиями. Магнитное поле такого рода наблюдалось бы и при меньшем количестве электронов в решетке, если бы обменным взаимодействием обусловлено было его появление.
Физики объяснили возникший эффект. По их предположению, когда в узлы решетки попадает несколько электронов, они объединяются в частицы, называемые «дублонами». Дублоны заполняют всю решетку посредством квантового туннелирования. В процессе этого электроны уменьшают кинетическую энергию и выравнивают спины, что приводит к ферромагнетизму. Такой «кинетический магнетизм» теоретики предсказывали десятилетиями, но ранее его не наблюдали в твердых материалах.
Швейцарские учёные предпримут углубленное изучение этого явления, в том числе проверку сохранения ферромагнитные свойств материала при более высоких температурах. В эксперименте учёным пришлось охладить материал до десятой доли градуса выше абсолютного нуля.
Результаты исследований опубликованы в статье. опубликованной в журнале Nature.