Новый вид магнетизма обнаружен в специально разработанном материале | Журнал Кванта

Все магниты, с которыми вы когда-либо взаимодействовали, например безделушки, приклеенные к дверце холодильника, являются магнитными по той же причине. Но что, если бы существовал другой, более странный способ сделать материал магнитным?

В 1966 году японский физик Ёсуке Нагаока придумал идею разновидность магнетизма возникает в результате, казалось бы, неестественного танца электронов внутри гипотетического материала. Теперь группа физиков обнаружила версию предсказаний Нагаоки, реализующуюся в искусственно созданном материале толщиной всего шесть атомов.

Открытие, недавно опубликовано в журнале природа, знаменует собой последнее достижение в пятидесятилетнем поиске ферромагнетизма Нагаока, в котором материал намагничивается, поскольку электроны внутри него минимизируют свою кинетическую энергию, в отличие от традиционных магнитов. «Вот почему я провожу такого рода исследования: я узнаю то, чего мы раньше не знали, вижу то, чего мы раньше не видели», — сказал соавтор исследования. Ливио Чорчаро, который завершил работу, будучи докторантом Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе, в Институте квантовой электроники.

В 2020 исследователи создали ферромагнетизм Нагаока в крошечной системе, содержащей всего три электрона, одной из наименьших возможных систем, в которых может произойти это явление. В новом исследовании Чорчаро и его коллеги реализовали это в расширенной системе — узорчатой ​​структуре, называемой муаровой решеткой, которая образована из двух листов толщиной в нанометр.

Это исследование «представляет собой действительно классное использование этих муаровых решеток, которые являются относительно новыми», — сказал он. Хуан Пабло Дехоллен, соавтор исследования 2020 года, завершивший работу в Делфтском технологическом университете. «Он смотрит на ферромагнетизм по-другому».

Когда ваши параллельные вращения вызывают начало поля

Традиционный ферромагнетизм возникает потому, что электроны не очень любят друг друга, поэтому у них нет желания встречаться.

Представьте себе два электрона, сидящих рядом друг с другом. Они будут отталкивать друг друга, потому что оба имеют отрицательные электрические заряды. Их состояние с самой низкой энергией застанет их далеко друг от друга. И системы, как правило, переходят в состояние с наименьшей энергией.

Согласно квантовой механике, электроны обладают еще несколькими важными свойствами. Во-первых, они ведут себя не как отдельные точки, а скорее как вероятностные облака тумана. Во-вторых, у них есть квантовое свойство, называемое спином, которое представляет собой что-то вроде внутреннего магнита, который может быть направлен вверх или вниз. И в-третьих, два электрона не могут находиться в одном квантовом состоянии.

Как следствие, электроны, имеющие одинаковый спин, действительно захотят уйти друг от друга — если они находятся в одном и том же месте, с одинаковым спином, они рискуют занять одно и то же квантовое состояние. Перекрывающиеся электроны с параллельными спинами остаются немного дальше друг от друга, чем в противном случае.

В присутствии внешнего магнитного поля это явление может быть достаточно сильным, чтобы заставить спины электронов выстроиться в линию, как маленькие стержневые магниты, создавая макроскопическое магнитное поле внутри материала. В таких металлах, как железо, эти электронные взаимодействия, называемые обменными взаимодействиями, настолько сильны, что индуцированная намагниченность остается постоянной, пока металл не нагревается слишком сильно.

«Сама причина, по которой в нашей повседневной жизни присутствует магнетизм, заключается в силе обменных взаимодействий электронов», — сказал соавтор исследования. Атач Имамоглу, физик также из Института квантовой электроники.

Однако, как предположил Нагаока в 1960-х годах, обменные взаимодействия могут быть не единственным способом сделать материал магнитным. Нагаока представил себе квадратную двумерную решетку, в которой каждый узел решетки имел только один электрон. Затем он выяснил, что произойдет, если при определенных условиях удалить один из этих электронов. Когда оставшиеся электроны решетки взаимодействовали, дырка, где находился недостающий электрон, носилась по решетке.

По сценарию Нагаоки, общая энергия решетки будет минимальной, когда все ее электронные спины выровнены. Каждая электронная конфигурация будет выглядеть одинаково — как если бы электроны были одинаковыми плитками в самой скучной в мире головоломка с раздвижной плиткой. Эти параллельные спины, в свою очередь, сделают материал ферромагнитным.

Когда две сетки с поворотом создают узор

Имамоглу и его коллеги подозревали, что они смогут создать магнетизм Нагаока, экспериментируя с однослойными листами атомов, которые можно складывать вместе, образуя замысловатый муаровый узор (произносится как Мва-Рэй). В атомно тонких слоистых материалах муаровые узоры могут радикально изменить поведение электронов — и, следовательно, материалов. Например, в 2018 году физик Пабло Харильо-Эрреро и его коллеги убивают что двухслойные стопки графена приобрели способность сверхпроводимости, когда они сместили два слоя с помощью поворота.

С тех пор муаровые материалы стали привлекательной новой системой для изучения магнетизма, наряду с облаками переохлажденных атомов и сложными материалами, такими как купраты. «Муаровые материалы предоставляют нам площадку для синтеза и изучения многочастичных состояний электронов», — сказал Имамоглу.

Исследователи начали с синтеза материала из монослоев полупроводников диселенида молибдена и дисульфида вольфрама, которые относятся к классу материалов, прошлые симуляции подразумевал, что может проявлять магнетизм в стиле Нагаока. Затем они применили слабые магнитные поля различной силы к муаровому материалу, отслеживая, сколько электронных спинов материала совпадают с полями.

Затем исследователи повторили эти измерения, приложив к материалу различное напряжение, что изменило количество электронов в муаровой решетке. Они нашли что-то странное. Материал был более склонен к выравниванию во внешнем магнитном поле, то есть к более ферромагнитному поведению, только тогда, когда у него было на 50% больше электронов, чем узлов решетки. А когда в решетке было меньше электронов, чем узлов, исследователи не видели никаких признаков ферромагнетизма. Это было противоположностью тому, что они ожидали увидеть, если бы действовал стандартный ферромагнетизм Нагаока.

Однако материал намагничивался, обменные взаимодействия, похоже, не были причиной этого. Но простейшие версии теории Нагаоки также не полностью объяснили его магнитные свойства.

Когда ваши вещи намагничены, и вы несколько удивлены

В конечном итоге все сводилось к движению. Электроны снижают свою кинетическую энергию, распространяясь в пространстве, что может привести к тому, что волновая функция, описывающая квантовое состояние одного электрона, перекроется с волновой функцией его соседей, связывая их судьбы вместе. В материале команды, когда в муаровой решетке было больше электронов, чем узлов решетки, энергия материала уменьшалась, когда лишние электроны делокализовались, как туман, накачиваемый по сцене Бродвея. Затем они на мгновение соединились с электронами в решетке, образовав двухэлектронные комбинации, называемые дублонами.

Эти странствующие дополнительные электроны и дублоны, которые они продолжали образовывать, не могли делокализоваться и распространяться внутри решетки, если все электроны в окружающих узлах решетки не имели выровненных спинов. Поскольку материал неустанно стремился к состоянию с самой низкой энергией, в конечном результате дублоны имели тенденцию создавать небольшие локализованные ферромагнитные области. До определенного порога, чем больше дублонов проходит через решетку, тем более заметно ферромагнитным становится материал.

Важно отметить, что Нагаока предположил, что этот эффект будет работать и тогда, когда в решетке меньше электронов, чем узлов решетки, чего исследователи не видели. Но согласно теоретической работе команды — опубликованной в Физический обзор исследований в июне раньше результатов экспериментов — эта разница сводится к геометрическим особенностям треугольной решетки, которую они использовали, по сравнению с квадратной решеткой в ​​расчетах Нагаоки.

Это Муар

В ближайшее время вы не сможете прикрепить кинетические ферромагнетики к своему холодильнику, если только вы не готовите еду в одном из самых холодных мест во Вселенной. Исследователи оценили ферромагнитное поведение муарового материала на уровне 140 милликельвинов на морозе.

Тем не менее, по мнению Имамоглу, это вещество открывает новые захватывающие возможности для исследования поведения электронов в твердых телах – и в приложениях, о которых Нагаока мог только мечтать. В сотрудничестве с Юджином Демлером и Иван Морера Наварро, физики-теоретики из Института теоретической физики, он хочет изучить, можно ли использовать кинетические механизмы, подобные тем, которые действуют в муаровом материале, для манипулирования заряженными частицами в пары, потенциально указывая путь к новому механизму сверхпроводимости.

«Я еще не говорю, что это возможно», — сказал он. «Вот куда я хочу пойти».