Новый p-волновой магнит со спиральной структурой спинов может привести к созданию более компактных чипов

Художественное представление p-волнового расщепления: спин электрона в зависимости от направления развертки (зеленые/фиолетовые стрелки) над магнитной решетчатой структурой. Автор: Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09633-4

Новый магнитный материал с необычной электронной структурой может в будущем позволить создавать более компактные и эффективные компьютерные чипы: p-волновой магнит. В его разработке участвовали исследователи из Технологического института Карлсруэ (KIT).

Магнитное поведение в объеме этого материала является результатом того, как спины электронов располагаются сами — в форме спирали. Следовательно, электрический ток, протекающий через него, отклоняется вбок. Результаты опубликованы в журнале Nature.

Магнетизм, каким мы его знаем в повседневной жизни, обычно заставляет нас думать о таких материалах, как железо, никель или кобальт, которые создают постоянные магнитные поля или притягиваются магнитными силами. В этих ферромагнитных материалах спины, то есть моменты всех электронов, движутся в одном направлении.

Антиферромагнитные материалы, напротив, внешне не проявляют магнитного эффекта, потому что магнитные силы и свойства электрической проводимости отдельных атомов нейтрализуют друг друга — спины соседних электронов направлены в противоположные стороны.

Однако последние разработки показали, что в зависимости от комбинации их магнитных и электронных структур антиферромагнетики могут приобретать ферромагнитные свойства. Такой материал был недавно совместно разработан исследователями из Центра перспективных исследований emergent matter science (CEMS) RIKEN в Японии, Токийского университета и KIT.

В этом материале электроны ведут себя так, как будто их спины были расщеплены, что существенно влияет на их движение. В этом p-волновом магните, который представляет собой комбинацию нескольких различных металлов, спины выстраиваются в соизмеримую спираль.

Намагниченность поворачивается на 360 градусов

«Намагниченность совершает полный оборот на 360° на длине всего шести узлов атомной решетки, при этом соседние атомы отстоят друг от друга почти точно на 60°», — говорит доктор Ян Маселль, руководитель группы Эмми Нётер «MAGN3D» в Институте теоретической физики твердого тела KIT и приглашенный ученый в CEMS.

Он участвовал в проекте, координируемом Токийским университетом и CEMS, который был представлен в журнале Nature, согласовывая различные теоретические подходы как друг с другом, так и с экспериментальными измерениями.

«Кроме того, наш материал демонстрирует очень низкую намагниченность, которую едва можно измерить, то есть немного ферромагнетизма — это означает, что спираль не идеальна», — поясняет Маселль.

Это минимальное отклонение порождает явление, которое обычно возникает в сочетании с сильным магнитным полем или высокой намагниченностью: гигантский аномальный эффект Холла. Электроны, которые в норме движутся по прямой линии через материал, отклоняются вбок из-за одной лишь внутренней структуры p-волнового магнита.

«Мы также смогли продемонстрировать, что спиральную структуру можно вращать внутри намагниченности — это означает, что эффект p-волнового магнита можно включать и выключать», — добавляет Маселль. «Более того, электрическое сопротивление сильно зависит от ориентации спирали».

Это фундаментальное исследование может открыть новые возможности для информационных технологий. Например, металлический p-волновой магнит может стать основой для более быстрых, компактных и энергоэффективных компьютерных чипов. В то же время он предоставляет платформу для исследования спиново-электронных состояний, например, в магнитах или сверхпроводниках.

Больше информации: Rinsuke Yamada et al, A metallic p-wave magnet with commensurate spin helix, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09633-4

Источник: Karlsruhe Institute of Technology