Странную форму магнетизма открыли в искусственном материале

Физики из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) открыли странную новую форму магнетизма в муаровом материале, полученном при наложении двумерных листов диселенида молибдена и дисульфида вольфрама. По мере увеличения количества электронов в узлах решетки материал превращался из парамагнетика в ферромагнетик.

Исследователи создали специальный материал, наложив атомарно тонкие слои двух разных полупроводниковых материалов друг на друга. Решетки из атомов при наложении формируют сложный муаровый узор. Чтобы исследовать магнитные свойства таких материалов, ученые «влили» в узлы решетки электроны, подав электрический ток и постепенно увеличивая напряжение.

Физики осветили материал лазерным светом и измерили, насколько сильно свет отражается при различных поляризациях. Поляризация указывает, в каком направлении колеблется электромагнитное поле лазерного луча. В зависимости от ориентации магнитных моментов и, следовательно, спинов электронов материал отражает свет с отличающейся поляризацией по-разному. По этой разнице ученые определили, направлены ли спины в одном и том же направлении или в разных направлениях и оценили намагниченность.

Первоначально материал проявлял парамагнетизм, но по мере того, как ученые увеличивали число электронов в узлах решетки, он продемонстрировал внезапный и неожиданный сдвиг, став ферромагнетиком. 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.

В муаровом материале спины электронов неупорядочены, если на каждый узел решетки приходится ровно один электрон (слева). Как только электронов становится больше, чем узлов решетки (справа) и пары электронов могут образовывать дублоны (красный), спины выравниваются ферромагнитно, поскольку это минимизирует кинетическую энергию. Иллюстрация: ETH Zurich

Ферромагнетики — наиболее известный вид магнетизма. К таким материалам, например, относятся магнитики на холодильнике. В таких веществах спины всех электронов направлены в одном направлении, и этот эффект сохраняется даже при отсутствии внешнего магнитного поля. В парамагнетиках магнитные моменты атомов и спины электронов в обычном состоянии направлены в разные стороны, но они могут выравниваться под воздействием внешнего магнитного поля.

«Классический» ферромагнетизм в таких материалах, например, как железо или никель, возникает из-за обменного взаимодействия. Это комбинация электростатического отталкивания между электронами и квантовомеханических эффектов спинов электронов. Но в эксперименте в искусственном материале действовали другие силы.

Исследователи полагают, что в муаровом материале действует следующий механизм: когда в узлы решетки попадает более одного электрона, они объединяются в частицы, называемые «дублонами», которые в конечном итоге заполняют всю решетку посредством квантового туннелирования. При этом электроны минимизируют кинетическую энергию, выравнивая свои спины, создавая тем самым ферромагнетизм. Этот «кинетический магнетизм» теоретически предсказывался на протяжении десятилетий, но ранее не наблюдался в твердых материалах.

Читать далее:

Находки в древнем римском лагере сильно озадачили ученых

Выяснилась польза витамина B12 для «перепрограммирования» организма

Найдена монета в древнеримском театре: она сильно впечатлила ученых

На обложке: Изображение от GarryKillian на Freepik