Ученые из ETH Zurich сделали удивительное открытие в области магнетизма

Созданный в лаборатории новый материал приобретает магнитные свойства по совершенно новому механизму, который никогда ранее не встречался.


Мы все знакомы с магнетизмом по тому, как магниты держатся на холодильнике. Эти магниты имеют свойство, которое называется ферромагнетизмом. Это значит, что все электроны в материале направлены в одну сторону своими спинами. Спин — это квантовая характеристика, которая определяет магнитный момент. Но есть и другие типы магнетизма, например, парамагнетизм. Он слабее и появляется, когда спины электронов распределены случайно.

В работе, опубликованной в журнале Nature, ученые исследовали магнитные свойства так называемых муар-материалов. Это экспериментальные материалы, состоящие из двух слоев атомарно тонких кристаллов дисульфида вольфрама и диселенида молибдена, уложенных друг на друга под небольшим углом. Это создает решеточную структуру с пустыми местами, которые можно насытить электронами.

Муар-материалы представляют большой интерес для физиков, потому что они имеют уникальные свойства, которые не наблюдаются в отдельных листах или в объемных материалах. Например, в нихх могут возникать новые виды частиц, называемых квазичастицами, которые имитируют поведение элементарных частиц, таких как электроны, фотоны, фермионы и бозоны. Квазичастицы могут иметь различные заряды, массы, спины и другие характеристики, которые зависят от параметров решетки. Кроме того, в муар-материалах могут возникать новые виды взаимодействий между квазичастицами, которые определяют их физические свойства, такие как проводимость, сверхпроводимость, сверхтекучесть, магнетизм и т. д.

Чтобы проверить, какой вид магнетизма имеют исследуемые материалы, ученые сначала насытили их структуру электронами. Для этого они подавали электрический ток, постепенно увеличивая напряжение. Затем на поверхность материала направили луч лазера и зафиксировали, как меняется отраженный свет в зависимости от его поляризации. Это позволило выяснить, ориентированы ли спины электронов в одну сторону (что свидетельствует о ферромагнетизме) или в разные (что свидетельствует о парамагнетизме).

Изначально материал демонстрировал все признаки парамагнетизма, но по мере того, как электронов в решетке становилось больше, он неожиданно стал ферромагнитным. Это было очень странно, потому что это произошло в тот момент, когда в каждом пустом месте решетки оказалось больше одного электрона. Это исключало возможность того, что ферромагнетизм вызван обменным взаимодействием — стандартным механизмом, который объясняет ферромагнетизм в большинстве материалов.

Ученые предложили альтернативный подход: когда в решетку попадает больше чем один электрон, они образуют пары, так называемые дублоны, которые могут перемещаться по всей решетке благодаря квантовому туннелированию. Однако электроны стремятся минимизировать кинетическую энергию, а для этого им нужно выровнять свои спины, формируя ферромагнетические свойства. Этот механизм, называемый кинетическим магнетизмом, был теоретически предсказан еще в 1960-х годах, но до сих пор не был обнаружен в твердых материалах.

Исследование предполагает перспективы для изучения и использования магнетизма на микроскопическом уровне. Оно также может иметь приложения в области квантовых технологий, таких как квантовые компьютеры и квантовая связь.

Ученые планируют подробнее исследовать явление, в том числе, можно ли его достичь при более высоких температурах. Ведь для этого эксперимента материал пришлось охладить до фракции чуть выше абсолютного нуля.