Альтермагнитные материалы: новый взгляд
Магнитные материалы известны с древних времён и играют важную роль в современном обществе, где общий магнитный порядок открывает пути для получения энергии и обработки данных. До сих пор ключевым для их применения был общий магнитный момент ферромагнетиков. Однако альтернативный тип магнитного материала — антиферромагнетики — считался «бесполезным» их первооткрывателем Луи Неелем в его лекции, посвящённой получению Нобелевской премии.
В последние годы возрос интерес к антиферромагнетикам, которые предлагают ряд преимуществ для технологий, включая устойчивый порядок и сверхбыструю динамику. Однако их сложно обнаружить и управлять ими электрически.
Недавнее открытие нового типа магнитного порядка — альтермагнетизма — изменило это представление. Сочетая антиферромагнитный порядок с ферромагнитными свойствами, такими как спинтронические эффекты, альтермагниты обещают множество преимуществ для будущих приложений.
Экспериментальное подтверждение
С момента первых теоретических работ, предсказывающих альтермагнетизм, эта область быстро развивалась, благодаря теоретическим и экспериментальным исследованиям, которые привели к прогрессу в нашем понимании.
Однако оставался вопрос о природе объёмного порядка и возможности его экспериментального измерения. Большинство предыдущих экспериментальных исследований использовали тонкие плёнки или методы, чувствительные к поверхности.
Чтобы решить эту задачу, международная исследовательская группа под руководством Клэр Доннелли в Институте Макса Планка провела измерения сканирующей просвечивающей рентгеновской микроскопии (СТXM) с наномасштабным пространственным разрешением на пластинках, извлечённых из монокристалла.
Таким образом, им удалось успешно наблюдать альтермагнитные домены в объёмных образцах MnTe — кандидата в альтермагниты, который до сих пор наблюдался только в системах с тонкими плёнками. Работа опубликована в журнале Physical Review Applied.
Эти рентгеновские измерения не только позволили команде наблюдать магнитную конфигурацию, но и, выполняя их в зависимости от энергии рентгеновского излучения, они смогли ответить на нерешённые вопросы об альтермагнитной природе материала.
«В предыдущих измерениях, опубликованных нашими коллегами, измеренный рентгеновский дихроизм был значительно слабее, чем предсказывалось теорией», — говорит Рикако Ямамото, научный сотрудник Института Макса Планка по химической физике твёрдого тела и первый автор исследования. «Но когда мы сравнили наши результаты, мы увидели, что сила сигнала почти идеально соответствовала теории, что позволило нам подтвердить, что объём нашего образца является альтермагнитным».
Эксперименты проводились на линии MAXYMUS синхротрона BESSY-II в Берлине. В эксперименте циркулярно поляризованное рентгеновское излучение фокусировалось до наноразмерного размера пятна и сканировалось по образцу, при этом измеренный сигнал при разных поляризациях передавался. Этот так называемый «рентгеновский магнитный круговой дихроизм» чаще всего ассоциируется с ферромагнетиками, где сигнал соответствует общему магнитному моменту, но обычно равен нулю в антиферромагнетиках, где общий магнетизм исчезает.
Альтермагниты, с другой стороны, действительно демонстрируют этот рентгеновский дихроизм, несмотря на свой антиферромагнитный порядок, что открывает путь для картирования их свойств на наноуровне.
«Особенно интересным было разнообразие особенностей, которые мы наблюдали на дихроичных рентгеновских изображениях», — говорит Доннелли. «Помимо наблюдения ярких и тёмных областей, соответствующих областям с различной ориентацией альтермагнитного порядка, мы также увидели ряд наноразмерных особенностей со сложными узорами».
Дихроичные сигналы, указывающие на топологические структуры, были обнаружены, включая доменные стенки и вихревые текстуры. «Тот факт, что такие структуры можно было увидеть в естественно выращенных монокристаллах, был удивительным», — продолжил Ямамото. «Это, надеюсь, означает, что этот подход может также предложить платформу для изучения топологических магнитных текстур и их поведения».
Это исследование не только предоставляет экспериментальные доказательства объёмной природы альтермагнетизма в MnTe, но и устанавливает передачу рентгеновского наноизображения как мощный метод для идентификации альтермагнитного порядка.
В дальнейшем этот подход может быть легко применён ко многим другим кандидатам в альтермагниты, которые предсказываются теоретиками. Маркус Шмидт, учёный из Института Макса Планка по химической физике твёрдого тела, который вырастил монокристалл MnTe, объяснил: «Тот факт, что мы теперь можем выращивать эти материалы и напрямую исследовать их альтермагнитный порядок на наноуровне с помощью рентгеновских лучей, очень интересен — кто знает, что мы найдём».
Предоставлено Институтом Макса Планка.