Команда из Университета Центральной Флориды в США нашла экспериментальное доказательство альтермагнетизма — новой формы магнетизма, которая сочетает полезные свойства двух более известных типов: ферромагнетизма и антиферромагнетизма. Результаты опубликованы в научном журнале Nature Communications (NatComms).
Чтобы создавать сверхбыстрые компьютеры будущего, ученые ищут новые способы передачи информации. Обычная электроника полагается на заряд электронов, но у них есть и другое свойство — спин. Использование этого квантового свойства может позволить полностью переосмыслить то, как информация движется по цепи.
Ферромагнетизм создает поведение, которое большинство людей связывает с обычными магнитами: магнитные моменты выстраиваются в одном направлении, создавая поле. Это полезно в электронике, но возникающие паразитные поля могут мешать соседним компонентам.
Антиферромагнетики ведут себя иначе: их магнитные моменты направлены противоположно и взаимно компенсируются, почти не создавая паразитных полей. Однако им не хватает некоторых полезных электронных свойств ферромагнетиков.
Альтермагнетики предлагают третий вариант, объединяя достоинства обоих. Как антиферромагнетики, они избегают нежелательных паразитных полей. Но при этом могут генерировать и детектировать спиновые токи — движение спинов электронов через материал, — которые исследователи надеются использовать в будущей электронике.
Неупане и его коллеги экспериментально идентифицировали признаки этого необычного магнитного состояния в Co₁/₄TaSe₂ — слоистом материале, состоящем из кобальта, тантала и селена.
«Эти материалы отличаются от более обычных антиферромагнетиков способностью генерировать и детектировать спиновые токи без негативного эффекта паразитных полей. Это новое свойство делает их очень перспективными для многих применений — включая спинтронику, сверхбыстрые запоминающие устройства, терагерцовые сети и энергоэффективную электронику», — отметил профессор Мадхаба Неупане, руководивший исследованием.
Чтобы определить, проявляет ли Co₁/₄TaSe₂ альтермагнетизм, исследователи изучили поведение его электронов с помощью углоразрешенной фотоэлектронной спектроскопии (ARPES), позволяющей измерять энергию и движение электронов и картировать электронную структуру материала. Они сначала обнаружили характерное расщепление электронных зон, а затем с помощью спин-разрешенной ARPES подтвердили, что эти расщепленные состояния несут противоположные спиновые поляризации — ключевое доказательство альтермагнетизма.
Co₁/₄TaSe₂ построен из чрезвычайно тонких слоев, наложенных друг на друга. Поскольку эти слои слабо связаны, ученые могут разделять и комбинировать их в сверхтонкие структуры, что делает слоистые материалы перспективными для тонкопленочных устройств. Этот класс материалов называют дихалькогенидами переходных металлов (TMD).
В Co₁/₄TaSe₂ магнитные атомы кобальта, вставленные между слоями, помогают создавать необычные магнитные свойства. Слоистая структура также делает материал легко настраиваемым, позволяя исследователям модифицировать его и изучать, как изменения влияют на электронное и магнитное поведение.
Большинство обычной электроники полагается на электрический заряд электронов для передачи и обработки информации. Но у электронов есть и спин, который исследователи изучают как альтернативный способ переноса информации. Это направление известно как спинтроника.
Альтермагнетики могут быть особенно полезны для спинтроники, поскольку генерируют и детектируют спиновые токи без паразитных магнитных полей, мешающих плотно упакованным компонентам.
Слоистые материалы уже изучаются для использования в чрезвычайно маленьких транзисторах, оптических технологиях и других электронных устройствах. Одновременно исследователи изучают, могут ли спиновые токи дать новые способы передачи цифровой информации. Слоистые альтермагнетики могли бы объединить эти два направления, предоставив сверхтонкие адаптируемые материалы, способные управлять спином электронов без нежелательных магнитных помех.
Ранее ученые обнаружили третий тип магнетизма в ходе экспериментов на ускорителе частиц.