Расширяя границы понимания магнитного поведения в микроструктурах
Развитие будущих технологий, особенно в области электроники, которая использует спин частиц — свойство, связанное с квантовой механикой и влияющее на магнитное поведение, — зависит от нашего умения исследовать и управлять магнитными свойствами на микроуровне. Новое исследование посвящено альтермагнетизму — недавно выявленному типу магнетизма, который ведёт себя не так, как традиционные магниты.
Что такое альтермагнетизм?
В отличие от обычных магнитов, альтермагнетики не создают общего магнитного поля, но всё же демонстрируют поведение, которое нарушает обычные правила временной симметрии. Это означает, что их внутренние свойства меняются, если направление времени обратить. Такое редкое сочетание свойств позволяет использовать их в электронике, где важно избегать магнитного вмешательства.
Ранее учёные могли обнаруживать эти явления только путём усреднения сигналов по большим областям. Теперь же им впервые удалось увидеть и повлиять на них на невероятно малых масштабах.
Исследование магнитных паттернов в теллуриде марганца
Группа учёных под руководством доктора Оливера Амина и профессора Питера Уодли из Ноттингемского университета совместно с партнёрами со всего мира изучила, как эти магнитные паттерны проявляются в кристалле теллурида марганца — материале, состоящем из атомов марганца и теллура. Их работа опубликована в журнале Nature.
Учёные использовали специальные методы рентгеновского анализа, известные как магнитный круговой дихроизм и магнитный линейный дихроизм. Эти методы позволяют выявить различные магнитные поведения в зависимости от поляризации света. Сочетая эти методы с мощными микроскопами, они создали красочные карты, показывающие, как устроены внутренние магнитные направления. Эти изображения выявили вихревые паттерны, границы между различными областями и гладкие зоны, где всё указывало в одном направлении.
Формирование магнитных паттернов
Работая с очень тонкими плёнками теллурида марганца, доктор Амин и профессор Уодли обнаружили множество типов магнитных паттернов. Они смогли формировать эти паттерны, разрезая материал на мелкие фигуры и регулируя температуру при приложении магнитных полей. В крошечных шестиугольниках и треугольниках они создали вращающиеся паттерны и парные вихри, которые формировались естественным образом. Эти паттерны не создавали магнитного притяжения извне, доказывая их особую природу и полезность в устройствах, где необходимо избегать вмешательства магнитов.
Особенно полезным результатом стала возможность выбирать направление внутренних векторов, просто охлаждая материал в слабом магнитном поле. Это позволило им формировать гладкие, устойчивые области шириной примерно с человеческий волос. В одном из примеров шестиугольная форма смогла изменить свой паттерн в зависимости от направления поля, используемого во время охлаждения. Возможность делать это показывает, насколько полезны могут быть альтермагнитные материалы для памяти или компьютерных устройств, которые можно настраивать по требованию.
«Мы напрямую экспериментально определили, что вектор порядка, описывающий направление и природу внутренней магнитной структуры, совершает поворот на 360 градусов вокруг первой нанотекстуры вихря», — пояснил доктор Амин, имея в виду наблюдаемое векторное поле в теллуриде марганца. Профессор Уодли отметил, что для разрешения общего угла намотки вектора порядка на 720 градусов требуется образование пары антивихрей в центре шестиугольника. Эти результаты знаменуют первую чёткую и детальную визуализацию направления альтермагнитных текстур.
Перспективы применения
Возможность видеть и настраивать эти особые магнитные паттерны может иметь значение не только для физики. Команда отмечает, что эти паттерны стабильны и могут функционировать быстро и эффективно, что делает их перспективными для будущей компьютерной памяти и систем, вдохновлённых работой мозга, известных как нейроморфные вычисления. Поскольку альтермагнетики могут работать с материалами, которые не проводят электричество, такими как изоляторы, или с теми, которые имеют необычное течение электронов, такими как топологические материалы, они могут хорошо вписаться в новые виды электронных устройств.
Это исследование закладывает прочную основу и открывает двери для дальнейших исследований этого необычного типа магнетизма. Оно также показывает, насколько полезно сочетать мощные инструменты визуализации с крошечными изготовленными структурами и простыми магнитными полями. По мере роста интереса к поиску новых типов магнитного поведения, которые избегают проблем традиционных магнитов, эта работа подчёркивает, что возможно как в науке, так и в технике.
Ссылка на журнал:
Amin O.J., Dal Din A., Golias E., et al. «Nanoscale imaging and control of altermagnetism in MnTe.» Nature, 2024; 636: 348-353. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-08234-x
Об авторах
Доктор Оливер Амин — физик, специализирующийся на магнетизме и наноразмерных материалах. Работает в Ноттингемском университете, изучает новые магнитные состояния в кристаллах и тонких плёнках. Его исследования сочетают передовые инструменты визуализации и методы нанопроизводства для изучения магнитного порядка на чрезвычайно малых масштабах. Как один из ведущих исследователей недавнего исследования альтермагнетизма в теллуриде марганца, доктор Амин внёс вклад в развитие нашего понимания магнитных явлений, не следующих обычным правилам. Его особенно интересуют материалы, открывающие новые возможности для быстрых и эффективных вычислительных технологий.
Профессор Питер Уодли — ведущий эксперт по магнитным материалам и спинтронике в Ноттингемском университете. Его работа сосредоточена на понимании того, как магнетизм действует в материалах, лишённых традиционных магнитных полей, но всё ещё демонстрирующих полезное электронное поведение. Имея опыт в физике конденсированных состояний, профессор Уодли разработал несколько методов управления и визуализации магнетизма на наноуровне. Его исследования направлены на соединение фундаментальной науки с практическими приложениями в электронике следующего поколения.
Добавить комментарий