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

От идеи до Росатома: история успеха проекта RSP
От идеи до Росатома: история успеха проекта RSP

В НИЯУ МИФИ создали онлайн-сервис —...

CARMA II — автономный робот, который делает ядерные объекты безопаснее
CARMA II — автономный робот, который делает ядерные объекты безопаснее

Передовая роботизированная система CARMA II ус...

Нейросети будущего: поляритоны в СПбГУ бьют рекорды точности
Нейросети будущего: поляритоны в СПбГУ бьют рекорды точности

Ученые из Санкт-Петербургского государств...

MIT учит дронов избегать столкновений: новый метод GCBF+
MIT учит дронов избегать столкновений: новый метод GCBF+

Инженеры из MIT придумали, как сдела...

Фокус на будущее: киноформные линзы меняют правила игры
Фокус на будущее: киноформные линзы меняют правила игры

Сотрудники лаборатории 3D-печати функциональны...

Российский минерал совершил революцию в мире двумерных материалов
Российский минерал совершил революцию в мире двумерных материалов

Ученые Томского политехнического университета ...

Свет из земли: как глина превратилась в дисплей
Свет из земли: как глина превратилась в дисплей

Мир дисплеев скоро изменится благодаря новым м...

В МИФИ создан радиоизотопный прибор для отечественной металлургии
В МИФИ создан радиоизотопный прибор для отечественной металлургии

В Национальном исследовательском ядерном униве...

Преодоление физических барьеров: на пути к новым квантовым технологиям
Преодоление физических барьеров: на пути к новым квантовым технологиям

Комментирует профессор Майя Вергниори, которая...

Впервые в России: в Катайске начали выпуск уникальных насосов
Впервые в России: в Катайске начали выпуск уникальных насосов

Катайский насосный завод, который находится в&...

Ученые ТПУ продемонстрировали, как у капель появляются «пальцы»
Ученые ТПУ продемонстрировали, как у капель появляются «пальцы»

Исследователи из Томского политехническог...

Science Advances: Ученые сумели подключить электроды к клеткам
Science Advances: Ученые сумели подключить электроды к клеткам

Исследователям из Университета Линчепинга...

Small Methods: Сублимация кристаллов диарилэтена — контроль над формой
Small Methods: Сублимация кристаллов диарилэтена — контроль над формой

Фотомеханические материалы из фотохромных...

Квантовые датчики обеспечат технологическую революцию к 2045 году
Квантовые датчики обеспечат технологическую революцию к 2045 году

Квантовые датчики находятся в авангарде т...

Стало известно, зачем ЕС инвестирует 24 млн евро в полупроводники
Стало известно, зачем ЕС инвестирует 24 млн евро в полупроводники

Европейский союз предпринимает решительные шаг...

В МИФИ создали интеллектуальную систему контроля работы 3D-принтеров
В МИФИ создали интеллектуальную систему контроля работы 3D-принтеров

Сотрудники Снежинского физико-технического инс...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

От лаборатории к реальности: как кристаллы времени заряжают мир
От лаборатории к реальности: как кристаллы времени заряжают мир
Ферменты против похмелья: как новый сенсор изменит медицину и не только
Ферменты против похмелья: как новый сенсор изменит медицину и не только
От Nokia к микросхемам: как Тампере снова сделает Финляндию великой
От Nokia к микросхемам: как Тампере снова сделает Финляндию великой
Сок под микроскопом: ученые научились ловить опасный гербицид за 20 минут
Сок под микроскопом: ученые научились ловить опасный гербицид за 20 минут
Молодые ученые против COVID-19 и хронических ран: как открытия изменят медицину
Молодые ученые против COVID-19 и хронических ран: как открытия изменят медицину
Энергия будущего: низкотемпературная плазма и ее невероятные возможности
Энергия будущего: низкотемпературная плазма и ее невероятные возможности
Питомниковый кашель больше не проблема: появились быстрые тесты для собак
Питомниковый кашель больше не проблема: появились быстрые тесты для собак
10 секунд до чистоты: история устройства, которое изменило дезинфекцию
10 секунд до чистоты: история устройства, которое изменило дезинфекцию
Сорняк-разрушитель или лекарство будущего: ученые открыли секрет рейнутрии
Сорняк-разрушитель или лекарство будущего: ученые открыли секрет рейнутрии
CARMA II — автономный робот, который делает ядерные объекты безопаснее
CARMA II — автономный робот, который делает ядерные объекты безопаснее
От идеи до Росатома: история успеха проекта RSP
От идеи до Росатома: история успеха проекта RSP
Витамины для коров и быки весом в тонну: прорыв от СПбГУВМ
Витамины для коров и быки весом в тонну: прорыв от СПбГУВМ
Ибогаин 2.0: ученые создают новое поколение лекарств от депрессии и зависимости
Ибогаин 2.0: ученые создают новое поколение лекарств от депрессии и зависимости
Ученые выяснили, что больше влияет на цену на жилье — вид из окна или площадь
Ученые выяснили, что больше влияет на цену на жилье — вид из окна или площадь
Небо в опасности: космический мусор угрожает авиации
Небо в опасности: космический мусор угрожает авиации

Новости компаний, релизы

Школьников и студентов Хабаровского края приглашают написать всероссийский диктант «Наука во имя Победы»
Три представительницы Республики Татарстан стали победителями Всероссийского конкурса Знание.Лектор
Калужан приглашают к участию в XIII сезоне Международного инженерного чемпионата CASE-IN
В Калуге обсудили меры поддержки молодых учёных региона
Молодых и заслуженных ученых наградили в Хабаровске