Учёные обнаружили нематический порядок в магнитных спиралях

Симуляция демонстрирует магнитные свойства тонкого слоя германида железа. Красные и синие области представляют регионы, где намагниченность направлена вверх или вниз, подобно северному и южному полюсам магнита. Стрелки по краям показывают, как намагниченность меняет направление. Автор: Зои Тамблсон и др., Science Advances, 20 июня 2025

Нематические материалы состоят из вытянутых молекул, которые выравниваются в предпочтительном направлении, но, как в жидкости, расположены нерегулярно. Наиболее известные нематические материалы — жидкие кристаллы, используемые в LCD-экранах. Однако нематический порядок был обнаружен в самых разных системах, включая бактериальные суспензии и сверхпроводники.

Теперь команда исследователей из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, SLAC National Accelerator Laboratory и Калифорнийского университета в Санта-Круз обнаружила нематический порядок в магнитном материале, где магнитные спины организованы в спирали, направленные в одну сторону.

«Если представить эти магнитные спирали как объекты, которые выравниваются, их магнетизм соответствует ожиданиям для нематических фаз», — пояснила Зои Тамблсон, аспирантка из Беркли и ведущий автор исследования. «Эти фазы ранее не были известны, и очень интересно увидеть их в более широкой области исследований».

Хотя этот новый экзотический порядок требует дальнейшего изучения, открытие может однажды привести к созданию технологий на основе крошечных магнитных спиралей вместо традиционных жидких кристаллов.

«Если научиться управлять этими необычными нематическими состояниями, можно будет создавать новые материалы с заданными свойствами», — добавил соавтор исследования Джошуа Тёрнер, ведущий учёный из SLAC. «Я чувствую, что это только начало».

Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.

Нематические фазы в конденсированных средах. Автор: Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adt5680

Два рентгеновских источника исследуют разные временные масштабы

Команда обнаружила магнитный нематический порядок в специальных плёнках германида железа, выращенных в Калифорнийском университете в Беркли. Эти плёнки не обладали типичной для этого материала кристаллической структурой.

«Наше открытие магнитной нематической фазы — пример новой экзотической фазы в аморфном германиде железа», — отметил соавтор Сухой Рой, научный сотрудник Беркли. «Эта работа — часть нашего более масштабного исследования магнитных флуктуаций, которые могут привести к прорывам в хранении информации и микроэлектронике».

Для изучения структуры и динамики магнитных спиралей учёные использовали два рентгеновских источника: Linac Coherent Light Source (LCLS) в SLAC и Advanced Light Source (ALS) в Беркли. Они облучали плёнки и анализировали рассеяние лучей.

Благодаря уникальным возможностям обоих источников, удалось зафиксировать движение спиралей на двух радикально разных временных масштабах — один в триллион раз быстрее другого. На LCLS засекли быстрые изменения за наносекунды, а на ALS — медленные процессы, длящиеся сотни секунд.

«Эта работа не состоялась бы без сотрудничества между SLAC и Беркли», — подчеркнула Тамблсон.

Совместные данные дали первое представление о сложной динамике магнитного нематического порядка. В будущем учёные планируют изучить промежуточные временные масштабы или ещё более быстрые процессы после модернизации LCLS.

«Эти измерения на разных масштабах времени рисуют загадочную картину. Здесь происходит гораздо больше, чем мы понимали», — сказал Тёрнер. «Но мы видим лишь узкий срез реальности».

Подробнее: Зои Тамблсон и др., Thermodynamic phase transitions of nematic order in magnetic helices, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adt5680