Третий класс магнетизма — альтермагнетизм: эксперимент открыл путь к сверхбыстрой цифровой памяти

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Мир магнетизма, казалось бы, изучен вдоль и поперек. Мы привыкли к ферромагнетикам, из которых делают магниты на холодильник, и антиферромагнетикам, играющим важную роль в электронике. Но, как оказалось, природа хранит еще немало сюрпризов. Недавнее открытие альтермагнетизма — нового класса магнитных материалов — обещает не только перевернуть наше понимание физики, но и открыть двери к технологиям, которые мы раньше могли представить разве что в научной фантастике.

Что такое альтермагнетизм, и почему он так важен?

Давайте разберемся. Представьте себе кристаллическую решетку, где каждый атом обладает крошечным магнитным моментом, как у маленького магнитика. В ферромагнетиках все эти магнитики выстроены в одном направлении, что и создает привычные нам магнитные свойства. В антиферромагнетиках, напротив, магнитики соседних атомов направлены в противоположные стороны, что приводит к компенсации их магнитных полей и отсутствию макроскопического намагничивания.

Магнетизм, иллюстрация
Магнетизм, иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Альтермагнетики — это нечто среднее между ними, но с изюминкой. Как и в антиферромагнетиках, магнитные моменты соседних атомов направлены антипараллельно друг другу, то есть в противоположные стороны. Но тут вступает в игру хитрый трюк природы: кристаллическая решетка, где расположены эти моменты, слегка повернута от атома к атому. Эта, казалось бы, незначительная деталь имеет колоссальные последствия. Позвольте объяснить.

Скорость, эффективность и экологичность: три кита альтермагнитных технологий

В чем же заключается их уникальность? Дело в том, что альтермагнетики сочетают в себе лучшие свойства обоих типов магнетиков. Они не обладают суммарным намагничиванием, как антиферромагнетики, что делает их устойчивыми к внешним магнитным полям. Однако, в отличие от последних, альтермагнетики проявляют спин-зависимые электронные свойства, что позволяет эффективно управлять их магнитным состоянием.

a, Элементарная ячейка α-MnTe со спинами Mn, коллинеарными к оси легкого магнитного поля. Применение трансформирует левую элементарную ячейку в правую. Ячейки с противоположным вектором L дают одинаковые XMLD, но неэквивалентные XMCD из-за нарушения симметрии в альтермагнитном MnTe. b. Иллюстрация процесса векторного отображения. Цветные круги показывают угловую зависимость XMCD, трехцветной XMLD и шестицветной векторной карты от направления L-вектора в плоскости. XMCD воздействует на трехцветный XMLD, при этом светлые области XMCD изменяют цвет, а темные области XMCD оставляют его неизменным для получения шестицветной карты L-вектора. На XMLD и векторной карте цветными сегментами обозначены оси магнитных сил, ориентированные вдоль кристаллографических направлений. c-e, XMCD-PEEM (c), XMLD-PEEM (d) и векторная карта (e) области 25 мкм2 непаттернированной пленки MnTe. f, Увеличенный вид области в рамке в e, в которой идентифицирована пара вихрь-антивихрь. Положения ядра вихря-антивихря выделены пурпурно-белыми и голубовато-белыми кружками, соответственно. Комбинация изображений XMLD-PEEM и XMCD-PEEM позволяет однозначно определить спиральность закрученных текстур вектора альтермагнитного порядка, что обозначено шестью цветами и наложенным векторным графиком. Масштабные линейки, 1 мкм (c) и 250 нм (f). g, Рентгеновский спектр поглощения (XAS), показанный черным цветом, и XMCD-спектр, показанный красным цветом, измеренные через резонансные края Mn L2,3. XMCD-спектр масштабирован на ×50. a.u., произвольные единицы.
a, Элементарная ячейка α-MnTe со спинами Mn, коллинеарными к оси легкого магнитного поля. Применение трансформирует левую элементарную ячейку в правую. Ячейки с противоположным вектором L дают одинаковые XMLD, но неэквивалентные XMCD из-за нарушения симметрии в альтермагнитном MnTe. b. Иллюстрация процесса векторного отображения. Цветные круги показывают угловую зависимость XMCD, трехцветной XMLD и шестицветной векторной карты от направления L-вектора в плоскости. XMCD воздействует на трехцветный XMLD, при этом светлые области XMCD изменяют цвет, а темные области XMCD оставляют его неизменным для получения шестицветной карты L-вектора. На XMLD и векторной карте цветными сегментами обозначены оси магнитных сил, ориентированные вдоль кристаллографических направлений. c-e, XMCD-PEEM (c), XMLD-PEEM (d) и векторная карта (e) области 25 мкм2 непаттернированной пленки MnTe. f, Увеличенный вид области в рамке в e, в которой идентифицирована пара вихрь-антивихрь. Положения ядра вихря-антивихря выделены пурпурно-белыми и голубовато-белыми кружками, соответственно. Комбинация изображений XMLD-PEEM и XMCD-PEEM позволяет однозначно определить спиральность закрученных текстур вектора альтермагнитного порядка, что обозначено шестью цветами и наложенным векторным графиком. Масштабные линейки, 1 мкм (c) и 250 нм (f). g, Рентгеновский спектр поглощения (XAS), показанный черным цветом, и XMCD-спектр, показанный красным цветом, измеренные через резонансные края Mn L2,3. XMCD-спектр масштабирован на x50. a.u., произвольные единицы.
Автор: Amin, O.J., Dal Din, A., Golias, E. et al. Источник: www.nature.com

Именно это свойство дает им целый ряд преимуществ в потенциальном применении. Во-первых, альтермагнитная память может работать на порядки быстрее, чем современная. Представьте себе увеличение скорости работы компьютерных устройств в тысячу раз! Во-вторых, альтермагнетики могут быть более энергоэффективными, а это означает, что устройства будут тратить меньше заряда и, как следствие, производить меньше тепла. И в-третьих, не менее важно, — альтермагнетики обещают стать более экологичной альтернативой традиционным материалам, требующим редких и токсичных элементов.

a, Схема микроструктуры шестиугольника с краями вдоль осей. b,c, XMCD-PEEM карта (b) и 6-цветная векторная карта (c) девственного состояния шестиугольника шириной 2 мкм. Ось L-вектора преимущественно выстраивается параллельно граням шестиугольника с формированием доменных стенок в углах шестиугольника. d,e, То же, что и в b и c, соответственно, но после охлаждения в поле 0,4 Тл, приложенном вдоль оси [0001], что приводит к формированию только трех типов доменов с разделяющими их доменными стенками 120° в углах шестиугольника. В центре структуры образуется пара антивихрей, расположение которых обозначено голубовато-белыми кружками. f-i, То же, что и в b-e, соответственно, но для 4-мкм шестиугольника. j, Схема пары треугольников с ребрами вдоль осей. k,l, То же, что и в d и e, соответственно, но для пары 4-мкм треугольных микроструктур, с одним вихрем в центре каждой структуры, обозначенным пурпурно-белыми кружками. Масштабные линейки - 30 нм (a и j), 1 мкм (b-i, k и l).
a, Схема микроструктуры шестиугольника с краями вдоль осей. b, c, XMCD-PEEM карта (b) и 6-цветная векторная карта (c) девственного состояния шестиугольника шириной 2 мкм. Ось L-вектора преимущественно выстраивается параллельно граням шестиугольника с формированием доменных стенок в углах шестиугольника. d, e, То же, что и в b и c, соответственно, но после охлаждения в поле 0,4 Тл, приложенном вдоль оси [0001], что приводит к формированию только трех типов доменов с разделяющими их доменными стенками 120° в углах шестиугольника. В центре структуры образуется пара антивихрей, расположение которых обозначено голубовато-белыми кружками. f-i, То же, что и в b-e, соответственно, но для 4-мкм шестиугольника. j, Схема пары треугольников с ребрами вдоль осей. k, l, То же, что и в d и e, соответственно, но для пары 4-мкм треугольных микроструктур, с одним вихрем в центре каждой структуры, обозначенным пурпурно-белыми кружками. Масштабные линейки — 30 нм (a и j), 1 мкм (b-i, k и l).
Автор: Amin, O.J., Dal Din, A., Golias, E. et al. Источник: www.nature.com
От теории к практике: прорыв в Ноттингеме

Долгое время альтермагнетизм существовал лишь в теоретических расчетах. Однако, группа ученых из Ноттингемского университета смогла экспериментально подтвердить его существование. Как же им это удалось? Они использовали специальный микроскоп, работающий на принципе рентгеновской спектроскопии. Этот метод позволяет с высокой точностью визуализировать магнитные свойства материалов на наноуровне.

Синхротрон — гигантский ускоритель электронов, похожий на металлический бублик, — произвел поток рентгеновских лучей, которые, попадая на образец, позволяли измерить магнитные моменты атомов и увидеть их расположение в кристалле. Это позволило ученым не только увидеть альтермагнитный порядок, но и подтвердить свои теоретические предположения.

Фотография установки для охлаждения поля через смотровое отверстие камеры PEEM. Постоянный магнит удерживается вблизи образца во время температурного цикла.
Фотография установки для охлаждения поля через смотровое отверстие камеры PEEM. Постоянный магнит удерживается вблизи образца во время температурного цикла.
Автор: Amin, O.J., Dal Din, A., Golias, E. et al. Источник: www.nature.com
Что дальше?

Открытие альтермагнетизма — это не просто научный факт, это потенциальный технологический прорыв. Альтермагнетики могут стать основой для создания более быстрой, энергоэффективной и экологичной электроники. Но, конечно, до практического применения еще предстоит пройти долгий путь. Ученым нужно разработать новые материалы, понять, как контролировать их свойства и как интегрировать их в существующую технологическую инфраструктуру.

Тем не менее, это открытие — яркий пример того, как фундаментальная наука может привести к революционным изменениям. Оно показывает нам, что в мире, который кажется нам таким знакомым, всегда есть место для новых открытий, способных изменить нашу жизнь к лучшему. И кто знает, возможно, в скором будущем мы будем жить в мире, где альтермагнетики будут играть ключевую роль в каждом нашем устройстве.

3 комментария

Добавить комментарий

Madjestik
Выглядит конечно интересно, но нужно смотреть, как это все будет на практике. Открытий было много, но до практического приминения доходит лишь малая часть
a
Интересно, куда автор дел диамагнетики, парамагнетики и прочие спиновые стекла, чтобы с таким апломбом заявлять о «третьем классе» магнетизма?
1
Очень! было бы интересно прочитать, если бы автор сам разобрался в теме, а не выдавал бы просто некачественный перевод.

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Загрязнение микропластиком меняет цвет Тихого океана — и это уже видно из космоса

Когда речь заходит о Большом тихоокеанском мусорном пятне, обычно представляют скопления крупного плавающего пластика: бутылок, упаковок, рыболовных сетей и обломков контейнеров. Однако основная...

Вагон с пропеллерами подвесили над путями: почему поезд Бенни так и не стал обычным транспортом

На фотографии 1930 года пассажирский вагон напоминает корпус небольшого самолёта. Он находится над обычной железной дорогой, держится за верхнюю направляющую и движется с помощью воздушных винтов....

Огонь сам открывает воду: как появились автоматические пожарные спринклеры

Пожарная труба под потолком долгое время была почти бесполезна без человека. Можно было заранее провести по зданию водопровод, сделать в нём отверстия и даже держать рядом большой запас воды, но...

Бетон вместо радара: как огромные чаши на берегу Англии помогали слышать самолёты

На английском побережье сохранились огромные бетонные чаши, обращённые к морю. Рядом с некоторыми стоят изогнутые стены, похожие на фрагменты недостроенного стадиона. Их задача была вполне...

Рыба с собственным обогревом: как опах сохраняет тепло в холодном океане

Опах охотится на глубине в несколько сотен метров, где вода заметно холоднее его тела. У этой крупной серебристой рыбы с красными плавниками теплее воды остаются не только мышцы, но и внутренние...

Крымская АЭС: почему атомную станцию, которую строили почти 10 лет, так и не запустили

В конце 1960-х годов советские специалисты анализировали топливно-энергетический баланс страны и пришли к выводу, что европейская часть СССР в обозримой перспективе может столкнуться с дефицитом...