Полуметаллы — это материалы, которые проводят электричество с помощью электронов только одного типа спина: либо со спином вверх, либо со спином вниз. Практический полуметалл помог бы учёным реализовать энергоэффективные спинтронные технологии — устройства, которые обрабатывают и хранят данные, используя как заряд, так и спин электронов. К сожалению, полуметаллы, обнаруженные до сих пор, работают только при криогенных температурах. Более того, их полуметаллические свойства ослабевают на поверхности, что препятствует миниатюризации.
Двумерный полуметалл был бы идеальным решением. Однако, хотя такой материал был предсказан, он ещё не был создан. Теперь Синь Лян Тан из Forschungszentrum Jülich в Германии и его коллеги разработали двумерный полуметалл в виде ультратонкого сплава железа и палладия [¹].
Как был создан двумерный полуметалл
Команда стремилась вызвать полуметаллические свойства за счёт сложного взаимодействия двух эффектов. Первый — обменное взаимодействие, которое заставляет спины соседних электронов выстраиваться параллельно друг другу. Второй — спин-орбитальная связь, при которой спин электрона связан с его орбитальным движением. Железо обладает сильным обменным взаимодействием, тогда как палладий обладает значительной спин-орбитальной связью. Тан и его коллеги вырастили двухатомный сплав этих двух металлов на поверхности кристалла палладия.
Используя современную технику визуализации, называемую спиновой микроскопией с разрешением по импульсу, исследователи изучили электронную структуру сплава. Они обнаружили, что все электроны в сплаве имели одинаковую ориентацию спина при энергии Ферми — энергии, имеющей отношение к проводимости. Это наблюдение является прямым доказательством двумерной полуметалличности, которое команда подтвердила с помощью теоретического моделирования.
Важно отметить, что сплав является неупорядоченным; его полуметаллические свойства не требуют кристаллического совершенства. Эти результаты опровергают общепринятое мнение о том, что спин-орбитальная связь вредна для полуметаллических свойств, и открывают новый путь для поиска спинтронных материалов.
— Райан Уилкинсон
Необычные плазменные волны над северным полюсом Юпитера
Космический зонд Juno провёл последние девять лет, наблюдая за Юпитером и его спутниками. По мере завершения миссии зонда прецессия его орбиты привела к тому, что его ближайшее приближение к газовому гиганту сместилось к северному полюсу, что позволило обнаружить неожиданное: необычный узор плазменных волн в магнитосфере планеты.
Роберт Лысак из Университета Миннесоты и его коллеги описывают эти волны и предлагают механизм их генерации [¹]. Их теория предлагает новый компонент для включения в модели планетарных магнитосфер и открывает новый плазменный режим для дальнейшего изучения.
Плазменные волны Юпитера
Согласно классической физике плазмы, коллективные волны электронов в плазме, называемые волнами Ленгмюра, имеют тенденцию колебаться параллельно линиям магнитного поля на так называемой плазменной частоте, которая намного больше угловой частоты ионов вокруг этих линий поля, их гирочастоты. Тем временем ионы имеют тенденцию колебаться перпендикулярно линиям магнитного поля в виде альфвеновских волн с верхней границей частоты, соответствующей ионной гирочастоте.
Однако волны, обнаруженные Juno, отличались от этой парадигмы: частота альфвеновских волн простиралась только до плазменной частоты, которая была меньше ионной гирочастоты. И частота волн никогда не превышала плазменную частоту.
Чтобы объяснить наблюдаемые волны, Лысак и его коллеги проанализировали взаимосвязь между частотой волн и волновым числом в сильно намагниченной плазме низкой плотности магнитосферы Юпитера и описали сценарий, в котором альфвеновские волны переходят в волны Ленгмюра при больших волновых числах. Это поведение может быть вызвано восходящими электронными пучками с энергиями от 1 кэВ до 2 МэВ. Juno впервые наблюдал такие пучки в северных полярных регионах Юпитера в 2016 году.
Исследователи говорят, что этот сценарий должен заинтересовать астрономов, изучающих намагниченные звёзды и экзопланеты, обладающие внутренними магнитными полями.
— Рэйчел Берковиц
[¹] — ссылка на источник.