Nature: Открыт новый вид магнетизма

Для того чтобы магнит прилип к дверце холодильника, внутри него должны идеально сработать несколько физических эффектов. Магнитные моменты его электронов направлены в одну сторону, даже если внешнее магнитное поле не заставляет их делать это.

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.

15.11.2023


Подписаться в Telegram



Хайтек

Physical Review Letters: Ученые описали альтернативный магнетизм
Physical Review Letters: Ученые описали альтернативный магнетизм

Магнитные материалы традиционно классифицируют...

Nature: Международная группа ученых решает сложную физическую задачу
Nature: Международная группа ученых решает сложную физическую задачу

Сильно взаимодействующие системы играют важную...

В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом
В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом

С помощью большой языковой модели инженеры Мас...

Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах

Исследовательская группа, работающая в UN...

Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий

Когда речь заходит о сверхпроводящих куби...

Nature Communications: Совершен прорыв в создании квантовых материалов
Nature Communications: Совершен прорыв в создании квантовых материалов

Исследователи из Калифорнийского универси...

PNAS: Клеточный каркас разобрали на микроскопические пути
PNAS: Клеточный каркас разобрали на микроскопические пути

Исследователи из Принстона применили спле...

Детекторы космических лучей для TAIGA- Muon запустят в серию в ТПУ
Детекторы космических лучей для TAIGA- Muon запустят в серию в ТПУ

Ученые из Томского политехнического униве...

Physical Review Letters: Открыт материал с большим невзаимным поглощением света
Physical Review Letters: Открыт материал с большим невзаимным поглощением света

В основе глобальной интернет-связи лежит оптич...

Applied Surface Science: Открыт путь к мемристорам нового поколения
Applied Surface Science: Открыт путь к мемристорам нового поколения

Мемристорные устройства представляют собой кат...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Высокоточные измерения ставят под сомнение наше понимание Цефеид
Высокоточные измерения ставят под сомнение наше понимание Цефеид
Останется ли магний снотворным для кузнечиков в результате потепления?
Останется ли магний снотворным для кузнечиков в результате потепления?
Physical Review Letters: Ученые описали альтернативный магнетизм
Physical Review Letters: Ученые описали альтернативный магнетизм
APA: Молодые сотрудники чаще остальных страдают на работе от одиночества
APA: Молодые сотрудники чаще остальных страдают на работе от одиночества
Front. Aging Neurosci: Поведение в новом пространстве может подсветить деменцию
Front. Aging Neurosci: Поведение в новом пространстве может подсветить деменцию
Nature Neuroscience: Ученые доказали, что терпение приносит свои плоды
Nature Neuroscience: Ученые доказали, что терпение приносит свои плоды
Познакомьтесь со странной амфибией, которая выкармливает своих детенышей молоком
Познакомьтесь со странной амфибией, которая выкармливает своих детенышей молоком
С расстройствами пищевого поведения можно бороться силой мысли
С расстройствами пищевого поведения можно бороться силой мысли
JACS: Инфракрасное облучение заставляет атомы «танцевать румбу»
JACS: Инфракрасное облучение заставляет атомы «танцевать румбу»
Climate Dynamics: Вот как условия на суше влияют на муссонный климат Азии
Climate Dynamics: Вот как условия на суше влияют на муссонный климат Азии
В 40% случаев люди ошибочно называют сгенерированное фото человека реальным
В 40% случаев люди ошибочно называют сгенерированное фото человека реальным
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах
Nature Communications: В мигрирующих нейронах найден конус роста
Nature Communications: В мигрирующих нейронах найден конус роста
EHJ-CI: Нарушенный кровоток может повредить стенку расширенной аорты
EHJ-CI: Нарушенный кровоток может повредить стенку расширенной аорты
Телескоп Уэбб снял столкновение астероидов в соседней звездной системе
Телескоп Уэбб снял столкновение астероидов в соседней звездной системе

Новости компаний, релизы

Московский Политех внедряет ИИ для повышения эффективности приемной кампании и трансформации обучения
Астрономы СПбГУ узнали возраст одного из самых мощных метеорных потоков
Исследования ученых ТПУ помогут в разработке таргетных препаратов для эффективной терапии в онкологии
Российские ученые нашли способ повысить урожайность подсолнечника на 43% с помощью нового серосодержащего удобрения
Зоологи выявили тенденцию к увеличению числа защитных роговых элементов на панцире морских черепах на острове Шри-Ланка