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.
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.
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
Таинственная «дверь» обнаружена в Антарктиде
Теория заговора против официальной науки: кто окажется прав?...
15 000 американских городов станут призраками в ближайшие десятилетия
Ученые уверены, что «там просто некому будет жить»....
Не по вкусу: комары пьют кровь не у всех подряд
Полезно понимать для защиты от опасных насекомых....
НЛО управляют армией беспилотников, которые следят за военными базами США
Загадочные дроны буквально терроризируют американских военных летчиков....
Странный случай: укус змеи подействовал на австралийца спустя 15 часов
Только 10% укушенных на самом деле получают дозу яда....
Собаки поднялись на новую ступень эволюции
Третья стадия одомашнивания — что это значит?...
20 млн жителей США могут остаться без воды
Великие озера поразила небывалая засуха....
Первые оседлые люди в Европе: в Сербии обнаружили дом возрастом 8000 лет
Обгорелое жилище перевернуло представления о ранних поселенцах....
Вспененный гель быстро останавливает кровотечение и снижает риск заражения
Учёные изобрели спасающую жизнь «повязку»....
Кошки могут понимать многие слова
Но для экспериментов голос хозяина произносил бессмыслицу....
Google срочно переходит на атомную энергию
АЭС опасны, но у Америки просто нет выхода....
Первая частная космическая станция появится на орбите в 2025 году
Комплекс, созданный с учетом проблем астронавтов, потянул на миллиард долларов....
Американские ученые отрицают ускорение глобального потепления
Формально, так и есть, но это ещё не всё....
Окаменелости в Индии рассказали о самом раннем случае разделки слонов людьми
Это произошло не менее 300 тысяч лет назад....
Детекторы ИИ ложно обвинили студентов в плагиате
Ничто не ново на всё 100%....
Режиссер фильма «Я, робот» утверждает, что Илон Маск крадет его идеи
Смех смехом, но новые проекты Маска удивительно похожи на кадры из фильма....