Физики впервые за век подтвердили существование третьей формы магнетизма

Физики впервые экспериментально подтвердили существование альтермагнетизма — третьего известного типа магнитного порядка в твёрдых телах. Исследование провела группа специалистов Национальной ускорительной лаборатории SLAC (SLAC National Accelerator Laboratory) при Министерстве энергетики США. Почти столетие были известны только два класса магнитных материалов — ферромагнетики и антиферромагнетики. Альтермагнетики занимают промежуточное положение между ними и обладают необычными свойствами, которые прежде рассматривались лишь теоретически.

Чтобы обнаружить это явление, исследователи изучили теллурид марганца (MnTe), ранее считавшийся типичным антиферромагнетиком. В ферромагнетиках спины электронов ориентированы преимущественно в одну сторону, формируя общее магнитное поле. В антиферромагнетиках они направлены противоположно и взаимно компенсируются. Альтермагнетики тоже не обладают суммарной намагниченностью, однако их кристаллическая структура позволяет электронам с разными спинами формировать неодинаковые электронные состояния и создавать токи с заданной спиновой ориентацией. Именно эта особенность помогла выявить новый тип магнитного порядка.

В своей работе команда исследовала MnTe методом резонансного неупругого рассеяния рентгеновских лучей с круговой поляризацией. Этот подход позволяет изучать магнитные возбуждения в материале, отслеживая, как меняется энергия рентгеновских фотонов после взаимодействия с ним. Учёные направляли на образец свет с левой и правой круговой поляризацией и установили, что интенсивность сигнала различается в зависимости от её направления.

Выявленное различие свидетельствует о хиральности магнонов — квантов коллективных колебаний магнитных моментов атомов, которые распространяются по материалу в виде волн. В альтермагнетиках свойства магнонов могут меняться в зависимости от направления их вращения, что определяется симметрией магнитной структуры кристалла. Учёные назвали обнаруженное состояние хиральным альтермагноном. Зависимость спиновой поляризации от импульса соответствует характерной для MnTe g-волновой симметрии. Такое поведение не объясняется классической теорией антиферромагнетизма, поэтому авторы выделили альтермагнетизм в самостоятельный класс материалов.

Независимые подтверждения хиральности магнонов получила и другая исследовательская группа под руководством Фора (Faure). Учёные применили метод поляризованного нейтронного рассеяния для изучения фторида марганца (MnF₂). Интенсивность рассеяния нейтронов зависела от направления их поляризации, что также указывало на хиральность магнитных возбуждений. Результаты двух независимых экспериментов, проведённых на разных материалах с помощью разных методов, существенно расширили экспериментальные данные о хиральных магнонах.

Открытие может иметь практическое значение для спинтроники — области электроники, в которой для обработки и хранения информации используют спин электронов. Ферромагнетики восприимчивы к внешним магнитным полям, тогда как в антиферромагнетиках возникают сложности со считыванием данных. Альтермагнетики сочетают отсутствие суммарной намагниченности, обеспечивающее устойчивость к внешним воздействиям, с возможностью создавать спиновые токи и быстро считывать информацию. Это расширяет набор параметров, которыми инженеры могут управлять при разработке микросхем.

В будущем альтермагнитные материалы могут использоваться в быстрых и энергоэффективных устройствах хранения данных, квантовых технологиях и центрах обработки информации. Открытие хиральных магнонов предоставляет дополнительный способ управления магнитными возбуждениями и расширяет потенциал альтермагнетиков для применения в спинтронике.

Источник: iXBT