Это происходит благодаря так называемому обменному взаимодействию, представляющему собой комбинацию электростатического отталкивания между электронами и квантовомеханических эффектов спинов электронов, которые, в свою очередь, отвечают за магнитные моменты. Этим обычно объясняется тот факт, что некоторые материалы, такие как железо или никель, являются ферромагнитными, или постоянно магнитными, если не нагревать их выше определенной температуры.

Группа исследователей из ETH в Цюрихе под руководством Атача Имамоглу из Института квантовой электроники и Юджина Демлера из Института теоретической физики обнаружила новый тип ферромагнетизма в искусственно созданном материале, в котором выравнивание магнитных моментов происходит совершенно иным образом. Свои результаты они недавно опубликовали в научном журнале Nature.

Искусственный материал с электронным наполнением

В лаборатории Имамоглу аспирант Ливио Чорчиаро, постдок Томаш Смоленски и их коллеги создали специальный материал, положив друг на друга атомарно тонкие слои двух различных полупроводниковых материалов (диселенида молибдена и дисульфида вольфрама). В плоскости контакта за счет различия постоянных решетки двух материалов — расстояния между их атомами — образуется двумерный периодический потенциал с большой постоянной решетки (в тридцать раз большей, чем у обоих полупроводников), который может быть заполнен электронами при приложении электрического напряжения.

Подобные муаровые материалы в последние годы вызывают большой интерес, поскольку с их помощью можно очень хорошо исследовать квантовые эффекты сильно взаимодействующих электронов, — говорит Имамоглу.

Однако до сих пор об их магнитных свойствах было известно очень мало.

Для изучения этих магнитных свойств Имамоглу и его коллеги измеряли, является ли муаровый материал при определенном заполнении электронами парамагнитным, со случайной ориентацией магнитных моментов, или ферромагнитным. Они освещали материал лазерным излучением и измеряли, насколько сильно отражается свет при различных поляризациях. Поляризация показывает, в каком направлении колеблется электромагнитное поле лазерного излучения, и в зависимости от ориентации магнитных моментов, а значит, и спинов электронов, материал будет отражать одну поляризацию сильнее, чем другую. Из этой разницы можно вычислить, в каком направлении направлены спины — в одном или в разных — и определить намагниченность.

Поразительное доказательство

Постоянно увеличивая напряжение, физики заполняли материал электронами и измеряли соответствующую намагниченность. До заполнения ровно одного электрона на участок решетки Муаре (также известной как изолятор Мотта) материал оставался парамагнитным. Когда исследователи продолжили добавлять электроны в решетку, произошло нечто неожиданное: материал вдруг стал вести себя очень похоже на ферромагнетик.

Это было поразительным свидетельством нового типа магнетизма, который нельзя объяснить обменным взаимодействием, — говорит Имамоглу.

В самом деле, если бы обменное взаимодействие было ответственно за магнетизм, то он должен был бы проявляться и при меньшем количестве электронов в решетке. Таким образом, внезапное возникновение магнетизма указывает на другой эффект.

Кинетический магнетизм

Юджин Демлер в сотрудничестве с постдоком Иваном Морерой наконец-то пришли к решающей идее: возможно, они рассматривают механизм, который теоретически предсказал японский физик Йосуке Нагаока еще в 1966 году. В этом механизме электроны, заставляя свои спины вращаться в одном направлении, минимизируют свою кинетическую энергию (энергию движения), которая намного больше обменной энергии. В эксперименте, проведенном исследователями ETH, это происходит, как только в муаровом материале на каждый участок решетки приходится более одного электрона.

В результате пары электронов могут объединяться, образуя так называемые дублеты. Кинетическая энергия минимизируется, если дублеты могут распространяться по всей решетке за счет квантовомеханического туннелирования. Однако это возможно только в том случае, если отдельные электроны в решетке выравнивают свои спины ферромагнитным способом, поскольку в противном случае нарушаются эффекты квантовомеханической суперпозиции, обеспечивающие свободное расширение дублонов.

До сих пор подобные механизмы кинетического магнетизма были обнаружены только в модельных системах, например, в четырех связанных квантовых точках, — говорит Имамоглу, — но никогда в протяженных твердотельных системах, подобных той, которую мы используем.

В качестве следующего шага он хочет изменить параметры муаровой решетки, чтобы исследовать, сохраняется ли ферромагнетизм при более высоких температурах; в текущем эксперименте материал все же пришлось охладить до десятых долей градуса выше абсолютного нуля.