Ученые из ETH Zurich открыли новый тип магнетизма. Эксперименты показывают, что искусственно созданный материал становится магнитным посредством механизма, который раньше не наблюдался.
Самая известная форма магнетизма – та, которая приклеивает вещи к вашему холодильнику – это так называемый ферромагнетизм, который возникает, когда спины всех электронов в материале направлены в одном направлении. Но есть и другие формы, такие как парамагнетизм, более слабая версия, которая возникает, когда спины электронов направлены в случайных направлениях.
В новом исследовании ученые Швейцарской высшей технической школы Цюриха обнаружили странную новую форму магнетизма. Исследователи изучали магнитные свойства муаровых материалов — экспериментальных материалов, полученных путем сложения двумерных листов диселенида молибдена и дисульфида вольфрама. Эти материалы имеют решетчатую структуру, которая может содержать электроны.
Чтобы выяснить, каким типом магнетизма обладают эти муаровые материалы, команда сначала «влила» в них электроны, подав электрический ток и постепенно увеличивая напряжение. Затем, чтобы измерить их магнетизм, они осветили материал лазером и измерили, насколько сильно этот свет отражался для разных поляризаций, что может показать, направлены ли спины электронов в одном и том же направлении (что указывает на ферромагнетизм) или в случайных направлениях (для парамагнетизма).
Материал нового исследования изначально имеет парамагнетизм (слева), который возникает, когда все спины электронов (синие шарики) направлены в случайных направлениях. Через некоторое время материал демонстрирует кинетический ферромагнетизм (справа), когда электроны объединяются в дублоны (красный шар), которые распределяются, заполняя решетку, заставляя все спины электронов выравниваться. Фото: ETH Zurich.
Первоначально материал проявлял парамагнетизм, но по мере того, как команда добавляла в решетку больше электронов, он продемонстрировал внезапный и неожиданный сдвиг, став ферромагнитным. Интересно, что этот сдвиг произошел именно тогда, когда решетка заполнилась более чем на один электрон на узел решетки, что исключило обменное взаимодействие – обычный механизм, который управляет ферромагнетизмом.
«Это было поразительное свидетельство существования нового типа магнетизма, который нельзя объяснить обменным взаимодействием», — сказал Атач Имамоглу (Ataç Imamoğlu), ведущий автор исследования.
Команда предложила другой механизм: когда в узлы решетки попадает более одного электрона, они объединяются в частицы, называемые «дублонами» (англ. “doublons”), которые в конечном итоге заполняют всю решетку посредством квантового туннелирования. Однако при этом электроны минимизируют свою кинетическую энергию, что они и делают, выравнивая свои спины, создавая тем самым ферромагнетизм. Этот «кинетический магнетизм» теоретически предсказывался на протяжении десятилетий, но ранее не наблюдался в твердых материалах.
Исследователи планируют более внимательно изучить это явление, в том числе выяснить, можно ли его достичь при более высоких температурах. Ведь для этого эксперимента материал нужно было охладить до доли выше абсолютного нуля.
Исследование было опубликовано в журнале Nature.
Источник: ETH Zurich
