Крошечный дефект в алмазе открывает новый загадочный вид магнетизма
Десятилетиями ученые выделяли лишь два основных типа магнитов: ферромагнетики — те самые, которые используются в магнитиках на холодильнике, и антиферромагнетики, чьи магнитные свойства скрыты на атомном уровне. Несколько лет назад к ним добавился третий, гораздо более загадочный класс — альтермагнетики.
Светлана ЛевченкоАвтор новостей
Теоретически, альтермагнетики могут сочетать в себе наиболее полезные характеристики обоих традиционных типов магнитов, благодаря чему они имет все шансы стать основой для создания более быстрых и энергоэффективных электронных устройств. Проблема лишь в том, что альтермагнетические материалы очень трудно обнаруживать.
Физики из Университета Баффало предложили новый подход квантового зондирования, который сможет значительно упростить идентификацию альтермагнетиков. Метод основан на наблюдении за тем, как предполагаемый альтермагнетик воздействует на крошечный магнитный дефект внутри близлежащего алмаза. Отслеживая, как магнитный сигнал дефекта затухает со временем, физики могут выявить характерные признаки альтермагнетизма.
«Такой поход может лечь в основу нового поколения экспериментов, определяющих, является ли материал альтермагнетиком, — говорит руководитель исследования Джамир Марино, доцент кафедры физики Университета Баффало. — Альтермагнетики могут полностью изменить существующие способы передачи информации, но чтобы подтвердить их теоретические свойства на практике, нам нужны эксперименты, которые смогут идентифицировать альтермагнетики и продемонстрировать их реальное, а не предстказанное расчетами поведение».
Концепция альтермагнетизма возникла в 2019 году, когда специалисты Университета Майнца столкнулись с поведением материала, которое невозможно было объяснить ни ферромагнетизмом, ни антиферромагнетизмом. Расчеты ученых показали, что диоксид рутения должен иметь нулевую общую намагниченность, как антиферромагнетик, но при воздействии электрического тока ведет себя скорее как ферромагнетик.
В обычных магнетиках электронные спины атомов формируют относительно простые узоры. В ферромагнетиках соседние спины направлены в одну сторону, создавая внешнее магнитное поле. В антиферромагнетиках соседние спины направлены в противоположные стороны, и их магнитные эффекты взаимно компенсируются. Альтермагнетики занимают промежуточное положение: их общая намагниченность компенсируется, но расположение атомов заставляет электроны вести себя способами, характерными для ферромагнетиков.
Такое расположение спинов позволяет альтермагнетикам сочетать быстрое переключение антиферромагнетиков с более легким контролем электронных свойств, характерным для ферромагнетиков.Джамир Маринодоцент кафедры физики Университета Баффало, руководитель исследования
Для идентификации альтермагнетиков ученые планируют использовать алмаз с микроскопическим магнитным дефектом, который образуют атом азота и отсутствие рядом с ним атома углерода. Дефекты такого род чрезвычайно чувствительны к близлежащей магнитной активности. При анализе материала следует вращать магнитный спин дефекта в разных направлениях и измерять скорость его релаксации. Если релаксация происходит быстрее в определенных направлениях, это может указывать на сложные расположения спинов, характерные для альтермагнетиков.
Важное преимущество такого метода в том, что он практически не тревожит сам материал: сильные поля или токи, которые используют в традиционных измерениях, могут искажать его естественное поведение. Здесь же алмазный датчик просто «подслушивает» микроскопические магнитные флуктуации.
Пока это теоретическое предложение, основанное на моделировании квантовой динамики. Следующий шаг — реализовать схему в реальном эксперименте и проверить, достаточно ли она чувствительна, чтобы различать тонкие отличия альтермагнетиков от обычных антиферромагнетиков. Но если подход сработает, он может стать важным инструментом в поиске новых материалов для квантовой электроники будущего. Теоретические расчеты предполагают, что более 200 сплавов потенциально могут оказаться альтермагнетиками — это вдвое больше известных ферромагнитных материалов.
Ранее алмазная сова помогла разработать новый способ охлаждения электроники.
АлмазПоделиться
