Механизм, который не свойственен ни одному природному веществу, заставляет спины электронов выравниваться в атомарно тонком слое полупроводников.
Все магниты, которые вы когда-либо видели, например те, что украшают дверцу холодильника, обладают магнитными свойствами по одной и той же причине. Но что, если бы был другой, более странный способ сделать материал магнитным?
В 1966 году японский физик Йосуке Нагаока выдвинул идею о существовании магнетизма, возникающего в результате неестественного движения электронов внутри гипотетического материала. И вот теперь группа физиков обнаружила воплощение предсказаний Нагаоки в искусственном материале толщиной всего в шесть атомов.
Это открытие, о котором недавно рассказали в журнале Nature, стало последним прорывом в пятидесятилетней охоте за ферромагнетизмом Нагаоки, суть которого заключается в том, что материал намагничивается, когда кинетическая энергия электронов, находящихся внутри него, снижается до минимума, чего не происходит в традиционных магнитах. "Именно поэтому я провожу подобные исследования: с их помощью я узнаю то, чего мы не знали раньше, вижу то, чего мы не видели раньше", рассказывает соавтор исследования Ливио Чорчиаро, который провел исследование будучи соискателем докторской степени в Институте квантовой электроники Швейцарского федерального технологического института Цюриха.
В 2020 году ученым удалось воспроизвести ферромагнетизм Нагаоки в миниатюрной системе, содержавшей всего три электрона, то есть в одной из самых маленьких систем, в которых возможно это явление. В своем новом исследовании Чорчиаро и его коллеги смогли вновь воссоздать этот феномен, но уже в более крупной системе – в узорчатой структуре, состоящей из листов толщиной 2 нанометра, которую называют муаровой решеткой.
Данное исследование "является примером очень оригинального использования муаровых решеток, которые применяются относительно недавно", отметил Хуан Пабло Дехоллейн, соавтор исследования 2020 года, который провел исследование в Делфтском техническом университете. "Это исследование позволяет взглянуть на данный вид ферромагнетизма под другим углом".
Когда параллельные спины приводят к появлению поля?
Классический ферромагнетизм возникает потому, что электроны не притягиваются друг к другу и не стремятся встретиться вместе.
Представьте себе два электрона, находящихся рядом друг с другом. Они будут отталкивать друг друга, потому что оба имеют отрицательный электрический заряд. В низкоэнергетическом состоянии они будут находиться далеко друг от друга, а системы, как правило, существуют именно в низкоэнергетическом состоянии.
В соответствии с законами квантовой механики, электроны обладают рядом других важнейших свойств. Прежде всего, они проявляют себя не как отдельные точки, а скорее как вероятностные облака тумана. Во-вторых, они обладают квантовым свойством, известным как спин, который представляет собой нечто похожее на внутренний магнит, направленный вверх или вниз. И, наконец, два электрона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии.
Поэтому электроны, обладающие одинаковым спином, будут стремиться отдалиться друг от друга, поскольку если они находятся в одном и том же месте с одинаковым спином, то существует риск их перехода в одно и то же квантовое состояние. Таким образом, при параллельных спинах перекрывающиеся электроны остаются немного дальше друг от друга, чем в обратном случае.
При наличии внешнего магнитного поля это явление может быть достаточно интенсивным, чтобы заставить спины электронов выстраиваться в линию, подобно маленьким магнитам, что приводит к возникновению макроскопического магнитного поля внутри материала. В таких металлах, как железо, подобные взаимодействия между электронами, которые называют обменными, настолько сильны, что индуцированная намагниченность остается постоянной, если металл не нагревается слишком сильно.
"Сама причина того, что в нашей повседневной жизни мы наблюдаем такое явление, как магнетизм, кроется в силе обменных взаимодействий между электронами", поясняет соавтор исследования Атач Имамоглу, физик из того же Института квантовой электроники.
Однако, как предполагал Нагаока в 1960-х годах, обменные взаимодействия могут быть не единственным источником магнитных свойств материала. Нагаока вообразил квадратную двумерную решетку, в которой на каждом участке находилось по одному электрону. Затем он попытался разобраться, что произойдет, если удалить один из этих электронов с соблюдением определенных условий. При взаимодействии электронов, оставшихся на решетке, дырка, оставшаяся после удаления электрона, будет "скакать" по решетке.
По идее Нагаоки, при выравнивании спинов электронов совокупная энергия решетки была бы минимальной, а каждая электронная конфигурация выглядела бы одинаково. В свою очередь, эти параллельные спины сделали бы материал ферромагнитным.
Когда две решетки и вращение создают узорчатое изображение?
Имамоглу и его коллеги предчувствовали, что им удастся воспроизвести магнетизм Нагаоки в ходе экспериментов с однослойными листами атомов, которые можно накладывать друг на друга, формируя замысловатый муаровый узор. В атомарно тонких послойных материалах муаровые узоры могут кардинально изменить поведение электронов и, соответственно, свойства самих материалов. Например, в 2018 году физик Пабло Харильо-Эрреро и его коллеги убедились, что двухслойные пласты графена обретают способность к сверхпроводимости при их смещении с поворотом.
После этого муаровые материалы стали новым привлекательным направлением в изучении магнетизма, заняв место в одном ряду с облаками переохлажденных атомов и сложными соединениями, такими как купраты. "По сути, муаровые материалы стали для нас плацдармом для изучения процессов синтеза и состояний многочастичных систем электронов", подытожил Имамоглу.
Прежде всего исследователи синтезировали материал из монослоев диселенида молибдена и дисульфида вольфрама, относящихся к классу полупроводников, которые, согласно результатам моделирования, могут проявлять магнетизм Нагаоки. Затем они воздействовали на муаровый материал слабыми магнитными полями различной силы, наблюдая за тем, сколько электронных спинов материала выравнивалось с полем.
После этого ученые провели измерения, подавая на материал различное напряжение, в результате чего количество электронов в муаровой решетке менялось. Они обнаружили нечто необычное. Материал в большей степени стремился выровняться по отношению к внешнему магнитному полю, то есть демонстрировал признаки ферромагнетизма, только когда количество электронов в нем превышало количество участков решетки на 50% процентов. В противном случае, когда в решетке было меньше электронов, чем участков решетки, признаки ферромагнетизма отсутствовали. Это противоположно тому, чего можно было бы ожидать от стандартного ферромагнетизма Нагаоки.
Несмотря на то, что материал намагничивался, обменные взаимодействия, судя по всему, не были источником этого магнетизма. Впрочем, самые простые версии теории Нагаоки тоже не полностью объясняют его магнитные свойства.
Когда намагниченные предметы вызывают удивление
В конце концов, все упирается в движение. Электроны теряют свою кинетическую энергию при перемещении в пространстве, что может привести к наложению волновой функции, характеризующей квантовое состояние одного электрона, на волновую функцию соседних электронов. В ходе исследования, когда в муаровой решетке было больше электронов, чем участков решетки, энергия материала уменьшалась при рассеивании избыточных электронов, подобно туману. Затем они мимолетно объединялись с электронами на решетке, формируя дублоны – комбинации двух электронов.
Эти блуждающие лишние электроны и дублоны, сформированные ими, не могли покинуть границы своих участков и распространиться по решетке, если спины электронов, находящихся в окружающих участках, не были выровнены. Поскольку материал упорно пытался достичь своего низкоэнергетического состояния, дублоны формировали небольшие локализованные ферромагнитные области. До определенного порога, чем больше дублонов проходило через решетку, тем более явно проявлялись ферромагнитные свойства материала.
Важно отметить, что Нагаока предполагал, что такой же эффект будет присутствовать, если в решетке будет меньше электронов, чем участков решетки, чего не наблюдалось в данном случае. Однако, как следует из теоретической работы команды, опубликованной в журнале Physical Review Research в июне еще до публикации результатов эксперимента, эта разница обусловлена различными геометрическими особенностями треугольной решетки, которая использовалась в данном эксперименте, и квадратной решетки, на которой основывались расчеты Нагаоки.
Это муар
Наверняка в ближайшее время у вас не получится украсить свой холодильник кинетическими магнитами, если только вы не готовите в каком-нибудь из самых холодных мест во Вселенной. Исследователи оценивали ферромагнитные свойства муарового материала при морозе в 140 милликельвинов (-273°C).
Тем не менее, Имамоглу считает, что это вещество распахивает дверь к новым удивительным возможностям для изучения поведения электронов в твердых телах, о которых Нагаока мог только фантазировать. Вместе с Юджином Демлером и Иваном Морера Наварро – физиками-теоретиками из Института теоретической физики, он планирует выяснить, можно ли использовать кинетические механизмы, подобные тем, что действуют в муаровом материале, чтобы воздействовать на заряженные частицы, заставляя их объединяться в пары. В перспективе это может указать путь к новому механизму сверхпроводимости. "Я еще не утверждаю, что это возможно, но это именно то направление, в котором я хочу двигаться", пояснил он.
