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, найденные на данный момент полуметаллы работают только при криогенных температурах. Более того, их полуметаллические свойства ослабевают на поверхности, что препятствует миниатюризации.
Идеальным был бы двумерный полуметалл. Хотя такой материал был предсказан, он ещё не был создан. Теперь Синь Лян Тан из Forschungszentrum Jülich (Германия) и его коллеги создали двумерный полуметалл в виде ультратонкого сплава железа и палладия [¹].
Команда стремилась вызвать полуметаллические свойства за счёт сложного взаимодействия двух эффектов:
1. Обменное взаимодействие, которое заставляет спины соседних электронов выстраиваться параллельно друг другу.
2. Спинорная связь, при которой спин электрона связан с его орбитальным движением.
Железо демонстрирует сильное обменное взаимодействие, тогда как палладий обладает значительной спинорной связью. Тан и его коллеги вырастили двухатомный сплав этих двух металлов на поверхности кристалла палладия.
Используя современную технику визуализации, называемую спиновой микроскопией импульса, 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; для его полуметаллических свойств не требуется кристаллическое совершенство. Эти результаты опровергают общепринятое мнение о том, что спинорная связь вредна для полуметаллических свойств, и открывают новый путь для поиска спинтронных материалов.
— Райан Уилкинсон
Райан Уилкинсон — ответственный редактор журнала Physics Magazine, базируется в Дареме, Великобритания.
Космический зонд Juno провёл последние девять лет, наблюдая за Юпитером и его спутниками
По мере завершения миссии космического аппарата прецессия его орбиты привела к тому, что его наиболее близкое сближение с газовым гигантом сместилось в сторону северного полюса, 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.
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.
Волны, обнаруженные Juno, однако, 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 наблюдала такие пучки в северных полярных регионах Юпитера в 2016 году.
Исследователи говорят, что этот сценарий должен заинтересовать астрономов, изучающих намагниченные звёзды и экзопланеты, обладающие собственными магнитными полями.
— Рэйчел Берковиц
Рэйчел Берковиц — ответственный редактор журнала Physics Magazine, базируется в Ванкувере, Канада.
[¹ — ссылка на источник]