Учёные Национальной ускорительной лаборатории SLAC подтвердили существование третьего типа магнетизма — альтермагнетизма. В исследовании, опубликованном в журнале Science, они обнаружили характерный хиральный отклик в теллуриде марганца, который ранее считался обычным антиферромагнетиком.
Результат важен не только для фундаментальной физики. Альтермагнитные материалы могут сочетать устойчивость антиферромагнетиков с возможностью создавать спин-поляризованные токи, что делает их перспективными для спинтроники, памяти, квантовых устройств и более энергоэффективных центров обработки данных.
Магнитный класс между ферромагнетиками и антиферромагнетиками
Почти 90 лет магнитные материалы делили на два основных класса. В ферромагнетиках спины электронов ориентированы в одном направлении, поэтому материал обладает общей намагниченностью и создаёт внешнее магнитное поле. В антиферромагнетиках соседние спины направлены противоположно и компенсируют друг друга.
Альтермагнетики тоже имеют чередующиеся направления спинов и нулевую суммарную намагниченность. Однако атомные окружения противоположно ориентированных спинов повёрнуты относительно друг друга. Это нарушает симметрию, характерную для обычных антиферромагнетиков, и меняет поведение электронов. Термин «альтермагнетизм» предложили в 2022 году.
«К 2024 году были факторы, убедительно свидетельствовавшие в пользу реальности альтермагнетизма, но одной детали всё ещё не хватало», — пояснил ведущий автор работы Даниэль Йост, сотрудник SLAC и Стэнфордского института материалов и энергетических наук.
Хиральный сигнал в теллуриде марганца
Недостающим подтверждением стала хиральность, или «право- и левосторонность», магнитной структуры. Хиральный объект нельзя полностью совместить со своим зеркальным отражением — подобно тому, как левую руку нельзя правильно вставить в правую перчатку. Обычные антиферромагнетики такого характерного хирального сигнала не имеют.
Чтобы обнаружить его, исследователи провели эксперименты на Европейском центре синхротронного излучения во Франции. На линии ID32 они использовали циркулярно поляризованные рентгеновские лучи, электрическое поле которых вращается в левом или правом направлении. Хиральный материал должен рассеивать эти два типа излучения по-разному.
Теллурид марганца действительно показал различие в рассеянии лево- и правополяризованных лучей. По словам Йоста, этот хиральный отклик стал надёжным экспериментальным основанием для вывода, что альтермагнетизм представляет собой самостоятельную магнитную фазу. Первый эксперимент провели в 2024 году, а в начале 2025-го повторили измерения и воспроизвели результат.
Возможности для спинтроники
Спинтроника использует не только электрический заряд электронов, но и их спин для хранения и обработки информации. Ферромагнетики хорошо создают спиновые токи, но легко реагируют на внешние магнитные поля. Антиферромагнетики устойчивее к таким воздействиям, однако их нулевую намагниченность трудно считывать, и они хуже подходят для эффективного формирования спиновых токов.
Альтермагнетики потенциально объединяют преимущества обоих классов: их противоположные спины обеспечивают нулевую общую намагниченность, а электронная структура позволяет создавать спин-поляризованные токи. Следующим шагом учёные называют поиск способов управлять альтермагнитными состояниями с помощью света и электричества. До практического применения таких материалов ещё предстоит провести значительную работу.
