Нематические материалы состоят из вытянутых молекул, которые выстраиваются в предпочтительном направлении, но, как и в жидкости, расположены неравномерно. Наиболее известными нематическими материалами являются жидкие кристаллы, которые используются в экранах жидкокристаллических дисплеев (LCD). Однако нематический порядок был обнаружен в широком спектре систем, включая бактериальные суспензии и сверхпроводники.
Группа исследователей под руководством учёных из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики (Berkeley Lab), Национальной ускорительной лаборатории SLAC и Университета Калифорнии в Санта-Круз обнаружила нематический порядок в магнитном материале, в котором магнитные спины вещества организованы в спирали, указывающие в одном общем направлении.
«Если мы будем рассматривать эти магнитные спирали как объекты, которые выстраиваются, то магнетизм соответствует ожиданиям для нематических фаз», — сказала Зои Тамлсон, аспирантка в Berkeley Lab и Университете Калифорнии в Санта-Круз, которая возглавляла эту работу. «Эти фазы ранее не были известны, и очень интересно видеть, как это обобщается на более широкую область исследований».
Пока этот новый экзотический порядок требует дальнейшего изучения, открытие может однажды привести к будущим технологиям, основанным на крошечных магнитных спиралях, а не на обычных жидких кристаллах.
«Если вы сможете контролировать эти странные нематические состояния со спиралью, возможно, вы сможете создавать новые материалы со свойствами по требованию», — сказал соавтор Джошуа Тёрнер, ведущий учёный в SLAC и главный исследователь в Стэнфордском институте наук о материалах и энергии (SIMES). «Я чувствую, что это только начало».
Исследователи опубликовали свои выводы в журнале Science Advances.
Команда обнаружила магнитный нематический порядок в специальных плёнках из германида железа, которые были выращены в сотрудничестве с Университетом Калифорнии в Беркли и Berkeley Lab. В этих плёнках отсутствовал кристаллический порядок, обычно наблюдаемый в этом материале.
«Наше открытие магнитной нематической фазы является примером новой экзотической фазы в аморфном германиде железа», — сказал соавтор Суджой Рой, учёный в Berkeley Lab. «Эта работа является частью более широких исследований нашей группы, направленных на понимание флуктуаций в магнитных материалах, которые могут привести к достижениям в области хранения информации и других микроэлектронных приложений».
Чтобы определить расположение и движение магнитных спиралей в плёнках, исследователи доставили их к двум различным источникам рентгеновского излучения — Линейному когерентному источнику света (LCLS) в SLAC и передовому источнику света (ALS) в Berkeley Lab, где они пропускали рентгеновские лучи через плёнки и измеряли, как они рассеиваются.
Используя уникальные возможности обоих источников света, они обнаружили движения магнитных спиралей в двух совершенно разных временных масштабах: одно происходило в триллион раз быстрее другого. В LCLS они измерили быстрые движения, происходящие в миллиардные доли секунды, или наносекунды. В ALS они наблюдали более медленные движения, происходящие в течение сотен секунд.
«Эта работа действительно не была бы возможна без сотрудничества между SLAC и Berkeley Lab», — сказала Тамлсон.
Вместе результаты, полученные с помощью обоих источников света, дают исследователям первое представление о сложных движениях, связанных с этим магнитным нематическим порядком. Будущие измерения могут исследовать либо движение в масштабах времени между двумя изученными в этой работе, либо на ещё более быстрых временных масштабах с недавним обновлением в LCLS.
«Эти измерения на очень разных временных масштабах объединяются, чтобы предоставить нам действительно интересную картину. Это загадочно и указывает на то, что здесь происходит гораздо больше, чем мы понимали ранее», — сказал Тёрнер. «Но мы фиксируем лишь узкую часть происходящего».
Предоставлено Национальной ускорительной лабораторией SLAC.