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
| Мнение | Наука и космос

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
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 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).
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.
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

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

210 лет «Павлу Буре»: в Москве открылась уникальная выставка коллекционных часов из частных собраний

Вероятно, даже тем, кто интересуется часами, при упоминании имени «Павел Буре» в первую очередь на память придет шайба и клюшка. Однако наша история помнит и «дохоккейные» времена, когда это имя...

Удаленный доступ к 3D принтеру Elegoo Centauri Carbon: пошаговая инструкция

Получилось подключить 3D принтер Elegoo Centauri Carbon к локальной сети и управлять как с ПК через Wi-Fi доступ, так и со смартфона. Приложение позволяет просматривать модели в памяти...

Почему Франция до сих пор владеет кусками океанов по всему миру

Иногда смотришь на карту мира и ловишь себя на странном чувстве: будто бы эпоха империй давно закончилась, но Франция по-прежнему раскинула свои маленькие флажки где-то в Карибах, в Индийском...

Жук-дьявольский броненосец: Броня, созданная природой

Если бы существовал идеальный образец для создания трудно разрушимых крепих материалов, это был бы жук-дьявольский броненосец (Phloeodes diabolicus). Это насекомое способно выдерживать...

Обзор защищенного смартфона Hotwav Hyper 8 Ultra: «ночная» камера, большой динамик и рация Walkie-Talkie с двумя антеннами

Компания Hotwav представила очередной броневичок, который выделяется на фоне основной массы не только своими внушительными размерами, кемпинговым фонариком и большим динамиком, но еще и встроенной...

✦ ИИ  Как бозон Хиггса дает массу «легким» частицам: детектор ATLAS выловил редчайший распад на мюоны

Открытие бозона Хиггса в 2012 году можно считать финальной точкой в построении Стандартной модели. Но для физиков это, на самом деле, лишь начало долгой и трудной работы. Обнаружить...