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
Что-то странное живет в старом топливе, вытекшем из затонувших кораблей во Вторую мировую войну
По словам ученых, в нефтепродуктах на дне моря «не протолкнуться»: 42 типа, 107 классов, 249 отрядов, 432 семейства, 1 047 родов микроорганизмов...
«Космос-2612» против спутника-шпиона: Россия показала, что не будет мириться с американской разведкой на орбите
Почему западные эксперты считают, что противостояние на орбите выходит на более новую и крайне опасную стадию...
В 2025 году в Беринговом море неожиданно появилось огромное количество крабов
Теперь ученые наконец-то нашли разгадку природной аномалии...
Летние каникулы длиной… в два с половиной года: как 777 российских детей вернулись домой через Сибирь, Америку и Европу
По этой удивительной истории запросто можно снять отличный сериал. Даже несколько сезонов...
Каспийское море снова изменилось: какие острова нанесут на новые карты
Почему географы очень строги к таким объектам и какие требования предъявляют к ним...
Вот почему самый загадочный в мире 600-летний текст до сих пор не расшифрован
Рукопись Войнича могли переплести не по порядку, и этот факт дает ответы на многие вопросы...
Ковчег русских детей: как 777 российских детей вернулись домой через Сибирь, Америку и Европу (продолжение)
Никто и не ожидал, что летние каникулы вдруг затянутся на два с половиной года...
1319 подтвержденных случаев реинкарнации: исследование американских ученых выявило поразительные закономерности
Исследователи не знают, как объяснить механизм перерождения, но игнорировать статистику тоже не могут...
Похоже, между кошками и их хозяевами существует загадочная гормональная связь
Этот эксперимент напрашивался уже давно, но после вопросов стало еще больше...
Парадокс Ванильного острова: почему на Мадагаскаре все рано или поздно заканчивается революцией
Что такое «красные зоны»? Как с ними связаны горбатые быки? И, вообще, какую роль в этой истории сыграла японское аниме?...
Муравьи Дракулы охотятся с первого дня жизни: их мозг может объяснить такую «кровожадность»
По словам ученых, когда-то такими были все муравьи, но что-то заставило их поменять свое поведение...
Загадочный звездный узор на знаменитой картине Ван Гога поставил точку в споре столетней давности
Выяснилось, что целая толпа литературоведов сильно ошибалась в биографии великого художника...
Новая окаменелость подтверждает: предок человека появился на 200 000 лет раньше, чем считали ученые
Антропологи говорят, что доминировал тогда совсем другой вид, а в итоге выжил именно наш далекий пращур...