Альтермагнетики: новый класс магнитных материалов с уникальными свойствами и перспективами

Магнетизм — физическое явление, связанное с наличием магнитных моментов у атомов в материале и их спонтанным упорядочением в кристаллической решетке. Магнетизм имеет большое значение для фундаментальной и прикладной науки, так как он определяет многие свойства материалов и позволяет создавать различные устройства и технологии. До недавнего времени считалось, что магнитные материалы можно классифицировать на две основные фазы: ферромагнитную и антиферромагнитную. Ферромагнитная фаза характеризуется тем, что магнитные моменты атомов в материале направлены параллельно друг другу, создавая макроскопическое магнитное поле. Антиферромагнитная фаза характеризуется тем, что магнитные моменты атомов в материале направлены навстречу (антипараллельно) друг другу, компенсируя друг друга и не давая макроскопического магнитного поля.

Однако недавно была экспериментально обнаружена третья фаза магнитного упорядочения, которая была названа альтермагнетизмом. Это открытие было опубликовано в журнале Nature и явилось результатом сотрудничества международной группы исследователей из Чешской академии наук, Института Пауля Шеррера и Швейцарского светового источника SLS.

Альтермагнетизм — это новая фаза магнитного упорядочения, которая сочетает в себе элементы ферромагнитной и антиферромагнитной фаз, а также имеет собственные особенности. Альтермагнетики имеют альтернирующую структуру магнитных моментов, как антиферромагнетики, но при этом имеют сильную спиновую поляризацию, как ферромагнетики. Спиновая поляризация — это свойство электронов, которые могут находиться в двух противоположных спиновых состояниях: вверх или вниз. В альтермагнетиках спиновая поляризация зависит от энергии электронов, создавая эффект, называемый снятием спинового вырождения. Этот эффект означает, что электроны с разными спинами имеют разные энергетические уровни, что влияет на их поведение в магнитном поле.

Альтермагнетизм — это не гипотетическая концепция, а реальный феномен, который был экспериментально подтвержден в простом двухкомпонентном материале — теллуриде марганца. Этот материал был изучен ранее и считался классическим антиферромагнетиком, но благодаря высокоточным измерениям на Швейцарском световом источнике SLS ученые смогли обнаружить снятие спинового вырождения, которое является характерным признаком альтермагнетизма. Таким образом, теллурид марганца стал первым известным альтермагнетиком.

Открытие альтермагнетизма имеет большое значение для фундаментальной физики, а также для прикладных наук и технологий. Альтермагнетизм обогащает наше понимание магнитных материалов и открывает новые возможности для исследования необычных явлений, таких как сверхпроводимость, которая может возникать в различных магнитных системах. Альтермагнетизм также представляет большой интерес для развивающейся области спинтроники, которая использует спин электронов для передачи и хранения информации. Спинтроника обещает революционизировать информационные технологии, сделав их более быстрыми, энергоэффективными и масштабируемыми.

Альтермагнетики сочетают в себе преимущества ферромагнетиков и антиферромагнетиков для спинтроники. Ферромагнетики обладают сильными спин-зависимыми эффектами, которые полезны для создания спинтронных устройств, но их макроскопический магнетизм создает помехи между битами — элементами, несущими информацию. Антиферромагнетики не имеют этой проблемы, так как они не имеют нетто-магнетизма, но при этом они не имеют и сильных спин-зависимых эффектов, что затрудняет их практическое применение. Альтермагнетики же имеют лучшее из обоих: нулевой нетто-магнетизм и сильные спин-зависимые эффекты, которые делают их идеальными кандидатами для спинтроники.