Новий вид магнетизму, виявлений у розробленому матеріалі | Журнал Quanta

Усі магніти, з якими ви коли-небудь спілкувалися, такі як чотки, приклеєні до дверцят вашого холодильника, є магнітними з тієї ж причини. Але що, якби був інший, більш дивний спосіб зробити матеріал магнітним?

У 1966 році японський фізик Йосуке Нагаока задумав вид магнетизму утворюється, здавалося б, неприродним танцем електронів у гіпотетичному матеріалі. Тепер команда фізиків помітила версію передбачень Нагаоки, що розігрується в спеціально розробленому матеріалі товщиною всього шість атомів.

Відкриття, нещодавно опубліковані в журналі природа, знаменує останній прогрес у п’ятидесятилітньому пошуку феромагнетизму Нагаока, за якого матеріал намагнічується, коли електрони в ньому мінімізують свою кінетичну енергію, на відміну від традиційних магнітів. «Саме тому я роблю такі дослідження: я можу дізнатися те, чого ми не знали раніше, побачити те, чого ми раніше не бачили», — сказав співавтор дослідження. Лівіо Чорчіаро, який завершив роботу, будучи докторантом в Інституті квантової електроніки Швейцарського федерального технологічного інституту Цюріха.

У 2020, дослідники створили феромагнетизм Нагаока у крихітній системі, що містить лише три електрони, одній із найменших можливих систем, у яких може статися це явище. У новому дослідженні Чьорчіаро та його колеги зробили це в розширеній системі — візерунковій структурі, яка називається решітка муару, яка утворена з двох нанометрових листів.

У цьому дослідженні «дуже круто використано муарові решітки, які є відносно новими». Хуан Пабло Деголлайн, співавтор дослідження 2020 року, який завершив роботу в Делфтському технологічному університеті. «Це дивиться на цей феромагнетизм дещо по-іншому».

Коли ваші паралельні обертання викликають початок поля

Традиційний феромагнетизм виникає тому, що електрони не дуже люблять один одного, тому у них немає бажання зустрічатися.

Уявіть собі два електрони, що сидять поруч. Вони будуть відштовхуватися, тому що обидва мають негативний електричний заряд. Їхній найнижчий енергетичний стан відведе їх далеко один від одного. І системи, як правило, переходять у найнижчий енергетичний стан.

Відповідно до квантової механіки, електрони мають кілька інших критичних властивостей. По-перше, вони поводяться не так як окремі точки, а більше як імовірнісні хмари туману. По-друге, вони мають квантову властивість, яка називається спіном, яка є чимось на кшталт внутрішнього магніту, який може вказувати вгору або вниз. І по-третє, два електрони не можуть перебувати в одному квантовому стані.

Як наслідок, електрони з однаковим спіном справді захочуть втекти один від одного — якщо вони знаходяться в одному місці з однаковим спіном, вони ризикують зайняти той самий квантовий стан. Електрони, що перекриваються, з паралельними спинами залишаються трохи далі один від одного, ніж це було б інакше.

У присутності зовнішнього магнітного поля це явище може бути достатньо сильним, щоб спонукати обертання електронів вишиковуватися, як маленькі магніти, створюючи макроскопічне магнітне поле всередині матеріалу. У таких металах, як залізо, ці електронні взаємодії, які називаються обмінними взаємодіями, настільки потужні, що індукована намагніченість є постійною, доки метал не нагрівається надто сильно.

«Сама причина того, що ми маємо магнетизм у повсякденному житті, полягає в силі взаємодії електронів», — сказав співавтор дослідження. Атач Імамоглу, фізик також в Інституті квантової електроніки.

Однак, як теоретизував Нагаока в 1960-х роках, обмінні взаємодії можуть бути не єдиним способом зробити матеріал магнітним. Нагаока уявив квадратну двовимірну решітку, де кожна ділянка решітки мала лише один електрон. Потім він визначив, що станеться, якщо за певних умов видалити один із цих електронів. Коли залишилися електрони решітки взаємодіяли, дірка, де був відсутній електрон, розбігалася навколо решітки.

У сценарії Нагаоки загальна енергія решітки була б найнижчою, коли всі спини її електронів були вирівняні. Кожна конфігурація електронів виглядала б однаково — ніби електрони були однаковими плитками в найнуднішій у світі головоломка з розсувною плиткою. Ці паралельні спіни, у свою чергу, зробили б матеріал феромагнітним.

Коли дві сітки з поворотом створюють візерунок

Імамоглу та його колеги мали припущення, що вони можуть створити магнетизм Нагаока, експериментуючи з одношаровими листами атомів, які можна складати разом, щоб утворити складний муаровий малюнок (вимовляється як mwah-промінь). В атомарно тонких шаруватих матеріалах муар може радикально змінити поведінку електронів — і, отже, матеріалів. Наприклад, у 2018 році фізик Пабло Джарілло-Ерреро та його колеги продемонстрований що двошарові пакети графену отримали здатність до надпровідності, коли вони зміщували два шари поворотом.

Відтоді муарові матеріали з’явилися як переконлива нова система для вивчення магнетизму, поєднана поряд із хмарами переохолоджених атомів і складних матеріалів, таких як купрати. «Муарові матеріали є майданчиком для синтезу та вивчення багаточастинкових станів електронів», — сказав Імамоглу.

Дослідники почали із синтезу матеріалу з моношарів напівпровідників диселеніду молібдену та дисульфіду вольфраму, які належать до класу матеріалів, які минулі симуляції мав на увазі, що може проявляти магнетизм у стилі Нагаока. Потім вони застосували слабкі магнітні поля різної сили до муарового матеріалу, відстежуючи, скільки спінів електронів матеріалу узгоджуються з полями.

Потім дослідники повторили ці вимірювання, застосовуючи різні напруги до матеріалу, що змінило кількість електронів у решітці муару. Вони знайшли щось дивне. Матеріал був більш схильний до вирівнювання із зовнішнім магнітним полем — тобто до більш феромагнітної поведінки — лише тоді, коли він мав на 50% більше електронів, ніж вузлів решітки. І коли решітка мала менше електронів, ніж вузлів решітки, дослідники не бачили жодних ознак феромагнетизму. Це було протилежно тому, що вони очікували б побачити, якби працював стандартний феромагнетизм Нагаока.

Незважаючи на те, що матеріал намагнічувався, обмінні взаємодії, здавалося, не керували цим. Але найпростіші версії теорії Нагаоки також не повністю пояснювали його магнітні властивості.

Коли ваші речі намагнічуються, і ви дещо здивовані

Зрештою, справа дійшла до руху. Електрони зменшують свою кінетичну енергію, поширюючись у просторі, що може призвести до того, що хвильова функція, що описує квантовий стан одного електрона, накладається на квантовий стан його сусідів, пов’язуючи їхню долю. У матеріалі команди, як тільки електронів у решітці муару було більше, ніж у вузлах ґратки, енергія матеріалу зменшилася, коли додаткові електрони делокалізувалися, як туман, накачуваний через бродвейську сцену. Потім вони побіжно з’єднувалися з електронами в решітці, утворюючи комбінації з двох електронів, які називаються дублонами.

Ці мандрівні додаткові електрони та дублони, які вони продовжували формувати, не могли делокалізуватись і поширюватися всередині решітки, якщо всі електрони в оточуючих вузлах решітки не мали вирівняних спінів. Оскільки матеріал невпинно перебував у своєму найнижчому енергетичному стані, кінцевим результатом було те, що дублони мали тенденцію створювати невеликі локалізовані феромагнітні області. До певного порогу, чим більше дублонів проходить крізь решітку, тим помітнішим стає феромагнітний матеріал.

Важливо те, що Нагаока припустив, що цей ефект також спрацьовує, коли решітка має менше електронів, ніж вузлів решітки, чого не бачили дослідники. Але згідно з теоретичною роботою команди — опубліковані в Дослідження фізичного огляду у червні перед результатами експерименту — ця різниця зводиться до геометричних особливостей трикутної решітки, яку вони використовували проти квадратної в розрахунках Нагаоки.

Це муар

Ви не зможете найближчим часом прикріпити кінетичні феромагнетики до свого холодильника, якщо не будете готувати в одному з найхолодніших місць у Всесвіті. Дослідники оцінили феромагнітну поведінку муарового матеріалу при температурі 140 мілікельвінів.

Для Імамоглу речовина, тим не менш, відкриває захоплюючі нові можливості для дослідження поведінки електронів у твердих тілах — і в програмах, про які Нагаока міг тільки мріяти. У співпраці з Євгеном Демлером і Іван Морера Наварро, фізик-теоретик з Інституту теоретичної фізики, він хоче дослідити, чи можна використовувати кінетичні механізми, подібні до тих, що діють у муаровому матеріалі, для маніпулювання зарядженими частинками, щоб вони об’єднувалися в пари, потенційно вказуючи шлях до нового механізму надпровідності.

«Я ще не кажу, що це можливо», — сказав він. «Саме туди я хочу піти».