Физики впервые наблюдают новую форму магнетизма.

Физики из Массачусетского технологического института продемонстрировали новую форму магнетизма, которую в будущем можно будет использовать для создания более быстрых, плотных и менее энергоемких микросхем памяти на основе спинтроники.

Новое магнитное состояние представляет собой сочетание двух основных форм магнетизма: ферромагнетизма обычных магнитов на холодильник и стрелок компаса, и антиферромагнетизма, при котором материалы обладают магнитными свойствами на микроуровне, но не намагничиваются на макроскопическом уровне.

Теперь команда из Массачусетского технологического института продемонстрировала новую форму магнетизма, получившую название «магнетизм p-волны».

Физики давно заметили, что электроны атомов в обычных ферромагнетиках имеют одинаковую ориентацию «Направления», подобно множеству крошечных компасов, указывающих в одном направлении. Это выравнивание направления создает магнитное поле, которое придает ферромагнетику его присущий ему магнетизм. Электроны, принадлежащие магнитным атомам в антиферромагнетике, также имеют направления, хотя эти направления чередуются, при этом электроны, вращающиеся вокруг соседних атомов, выравнивают свои направления антипараллельно друг другу. В совокупности равные и противоположные направления компенсируют друг друга, и антиферромагнетик не проявляет макроскопической намагниченности.

Команда обнаружила новый p-волновой магнетизм в йодиде никеля (NiI₂), двумерном кристаллическом материале, синтезированном в лаборатории. Подобно ферромагнетику, электроны демонстрируют предпочтительную ориентацию направления, и, как в антиферромагнетике, равное количество противоположных направлений приводит к суммарной компенсации. Однако спины атомов никеля демонстрируют уникальную структуру, образуя внутри материала спиралевидные конфигурации, которые являются зеркальными отражениями друг друга, подобно тому как левая рука является зеркальным отражением правой.

Более того, исследователи обнаружили, что такая спиральная конфигурация направлений позволяет им осуществлять «переключение направлений»: в зависимости от спирального движения направлений в материале, они могли приложить небольшое электрическое поле в соответствующую сторону, чтобы легко перевернуть левостороннюю спираль направлений в правостороннюю направлений и наоборот.

Возможность переключать направления электронов лежит в основе «спинтроники», которая является предлагаемой альтернативой традиционной электронике. При таком подходе данные могут записываться в виде направлений электрона, а не его электронного заряда, что потенциально позволяет упаковывать на устройство на порядки больше данных, потребляя при этом значительно меньше энергии для записи и чтения этих данных.   

«Мы показали, что этой новой формой магнетизма можно управлять электрическими средствами», — говорит Цянь Сун, научный сотрудник Лаборатории материаловедения Массачусетского технологического института. «Этот прорыв открывает путь к созданию нового класса сверхбыстрых, компактных, энергоэффективных и энергонезависимых магнитных запоминающих устройств».

Сонг и его коллеги опубликовали результаты своих исследований 28 мая в журнале Nature . В число соавторов из Массачусетского технологического института входят Коннор Оккиалини, Батыр Ильяш, Эмре Эргечен, Нух Гедик и Риккардо Комин, а также Рафаэль Фернандес из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн и сотрудники из ряда других учреждений.

Соединяя точки

Это открытие является продолжением работы группы Комина, проведенной в 2022 году. Тогда команда исследовала магнитные свойства того же материала — йодида никеля. На микроскопическом уровне йодид никеля напоминает треугольную решетку из атомов никеля и йода. Никель является основным магнитным компонентом материала, поскольку электроны на атомах никеля обладают направлений, в то время как электроны на атомах йода — нет.

В ходе этих экспериментов команда обнаружила, что спины атомов никеля располагаются по спирали по всей кристаллической решетке материала, и что эта спираль может иметь две разные ориентации.

В то время Комин понятия не имел, что эта уникальная структура атомных спинов может обеспечить точное переключение спинов окружающих электронов. Позже эта возможность была поднята его сотрудником Рафаэлем Фернандесом, которого, наряду с другими теоретиками, заинтересовала недавно предложенная идея нового, нетрадиционного магнита с «p-волновой» структурой

Иными словами, такой p-волновой магнит мог бы обеспечить простое и контролируемое переключение электронных направлений, что можно было бы использовать в спинтронных приложениях.

«В то время это была совершенно новая идея, и мы решили проверить ее экспериментально, потому что поняли, что йодид никеля является хорошим кандидатом для демонстрации подобного эффекта p-волнового магнита», — говорит Комин.

Спиновый ток

Для своего нового исследования команда синтезировала монокристаллические хлопья йодида никеля, сначала нанеся порошки соответствующих элементов на кристаллическую подложку, которую затем поместили в высокотемпературную печь. В результате этого процесса элементы оседают слоями, каждый из которых микроскопически расположен в треугольной решетке атомов никеля и йода.

«Из печи выходят образцы шириной в несколько миллиметров и толщиной, похожие на крекер», — говорит Комин. «Затем мы отшелушиваем материал, отделяя еще более мелкие хлопья, каждое из которых имеет ширину в несколько микрон и толщину в несколько десятков нанометров».

Исследователи хотели выяснить, действительно ли спиральная геометрия спинов атомов никеля заставит электроны, движущиеся в противоположных направлениях, иметь противоположные направления, как это, по мнению Фернандеса, должно быть у p-волнового магнита. Для наблюдения за этим группа приложила к каждой пластинке пучок циркулярно поляризованного света — света, который создает электрическое поле, вращающееся в определенном направлении, например, по часовой стрелке или против часовой стрелки.

Они предположили, что если движущиеся электроны, взаимодействующие со спиралями, имеют направления, выровненный в одном направлении, то падающий свет, поляризованный в этом же направлении, должен резонировать и создавать характерный сигнал. Такой сигнал подтвердил бы, что спины движущихся электронов выравниваются из-за спиральной конфигурации, и, кроме того, что материал действительно обладает p-волновым магнетизмом.

И действительно, именно это и обнаружила группа исследователей. В экспериментах с несколькими образцами йодида никеля ученые непосредственно наблюдали, что направление спина электрона коррелирует с хиральностью света, используемого для возбуждения этих электронов. Это характерный признак p-волнового магнетизма, который здесь наблюдается впервые.

Пойдя дальше, они попытались выяснить, можно ли переключать спины электронов, прикладывая электрическое поле или небольшое напряжение в разных направлениях через материал. Они обнаружили, что когда направление электрического поля совпадало с направлением спирали вращения, эффект переключал электроны вдоль этого пути на вращение в одном направлении, создавая ток одноименно вращающихся электронов.

«Благодаря такому потоку вращения можно делать интересные вещи на уровне устройства, например, переворачивать магнитные домены, что можно использовать для управления магнитным битом», — объясняет Комин. «Эти спинтронные эффекты более эффективны, чем в традиционной электронике, потому что вы просто перемещаете спины, а не заряды. Это означает, что вы не подвержены никаким эффектам рассеяния, которые генерируют тепло, а это, по сути, причина нагрева компьютеров».

«Нам нужно лишь небольшое электрическое поле, чтобы управлять этим магнитным переключением», — добавляет Сонг. «Магниты с P-волновым излучением могут сэкономить пять порядков энергии. А это огромная экономия».

«Мы рады видеть, что эти передовые эксперименты подтверждают наше предсказание о p-волновых спин-поляризованных состояниях», — говорит Либор Шмейкал, руководитель исследовательской группы Макса Планка в Дрездене, Германия, один из авторов теоретической работы, в которой была предложена концепция p-волнового магнетизма, но который не принимал участия в написании новой статьи. «Демонстрация электрически переключаемой p-волновой спиновой поляризации также подчеркивает перспективные области применения нетрадиционных магнитных состояний».

Группа исследователей наблюдала p-волновой магнетизм в чешуйках йодида никеля только при сверхнизких температурах около 60 кельвинов.

«Это ниже температуры жидкого азота, что не всегда практично для применения», — говорит Комин. «Но теперь, когда мы осознали это новое состояние магнетизма, следующая задача — найти материал с такими свойствами при комнатной температуре. Тогда мы сможем применить это в спинтронном устройстве».