Учёные впервые получили изображение и смогли манипулировать альтермагнитом, новым видом магнетизма, экспериментально продемонстрированным только в этом году. Команда детально зафиксировала расположение и ориентацию электронов на нанометрическом уровне – аспекты, определяющие необычные магнитные свойства материала и открывающие путь для будущих практических применений.
Ферромагниты притягиваются к железу, стали, никелю и кобальту. Магнетизм проявляется при нацеливании электронов в одном направлении. Магнитные спины частиц направлены одинаково, что называется «макроскопическим чистым магнетизмом».
В отличие от ферромагнетиков, так называемые «антиферромагнитные» магниты имеют электроны, спины которых ориентированы попеременно в разные стороны. Из-за отсутствия чистой макроскопической намагниченности эти магниты не прилипают к железу (или стали, никелю или кобальту).
Несмотря на кажущуюся несовместимость, некоторые материалы одновременно демонстрируют оба свойства. Исследования выявили необычные материалы с спиновой структурой, не привязанной ни к ферромагнитным, ни к антиферромагнитным магнитам. Как и в антиферромагнетиках, их спины чередуются, что исключает явную макроскопическую намагниченность. Тем не менее, внутреннее магнитное поле этих материалов способно модулировать электрический ток — свойство, характерное для ферромагнитетов.
Экспериментально продемонстрированные в феврале текущего года так называемые «альтермагнитные» материалы имеют разделение электронных полос, соответствующих различным спиновым состояниям. Другими словами, электроны разделяются на две группы, создавая необычные ориентации, которые характеризуют альтермагнетизм. Тем не менее эти свойства по-прежнему трудно контролировать и наблюдать, а их точное функционирование остается частично непонятным.
Новое исследование под руководством сотрудников Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) впервые представило подробную визуализацию движения электронов в альтермагнитах. В прошлых исследованиях мы изучали взаимодействие электронов и их спина, но не могли видеть их расположение в трёхмерном пространстве. — Объясняет Хьюго Диль, соавтор исследования, в сообщении для прессы EPFL.
Большие, настраиваемые структуры
Чтобы изучить характеристики альтермагнитов, исследователи применили поляризованную рентгеновскую фотоэмиссионную электронную микроскопию (PEEM) для точного изображения кристаллической структуры решетки теллурида марганца (MnTe). Данная техника отличается высокой чувствительностью к магнетизму и специфичностью к определенным элементам, а также позволяет получать одновременно изображения материала в нанометрическом масштабе.
Изображения демонстрируют направление магнитного спина каждой точки структуры альтермагнитной кристаллической решетки. Учёные также обнаружили возможность управления направлением спина каждой точки на решетке. В частности, ориентацию спинов можно контролировать с помощью микроструктурирования и термоциклирования. При температуре ниже 310 Кельвинов (36 °C) магнитный порядок располагается в плоскости a-b пленки.
«Удивительно наблюдать, как шесть возможных путей сходится в особенных точках, называемых вихрями или антивихрями, и что можно перемещать эти точки с помощью магнитных полей. — указывает Дил. С другой стороны, электронно-лучевая литография, способ вытравливания рисунков на поверхности с помощью электронного луча, позволяет создавать большие альтермагнитные структуры с индивидуальными свойствами.
«Обнаруженное и управляемое формирование альтермагнитных спиновых конфигураций позволит провести будущие эксперименты в сфере теории альтермагнетизма. — отмечают исследователи в публикации в журнале . К таким областям исследований относятся, например, взаимодействие альтермагнетизма со сверхпроводящими и топологическими фазами, а также высокоразвитые цифровые спинтронные и нейроморфные устройства. Эта работа может открыть путь к прогрессу в технологиях хранения и передачи данных.