Физики выяснили, почему электроны в хиральных магнетиках движутся только в одну сторону

Учёные из японского института RIKEN впервые экспериментально и теоретически объяснили, почему поток электронов в особом классе магнетиков зависит от направления. Это открытие может помочь в создании будущих устройств с низким энергопотреблением.

Характеристики соединения Co₈Zn₉Mn₃. Автор: Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adw8023

Работа опубликована в журнале Science Advances.

В обычном магните спины всех электронов ориентированы в одном направлении. В особом классе материалов, известных как хиральные магнетики, спины электронов организованы по спирали, напоминая винтовую лестницу.

Эта структура придаёт хиральным магнетикам особые магнитные и электронные свойства. Например, электроны могут преимущественно течь по ним в одном направлении, но не в обратном. Этот эффект аналогичен тому, что происходит в диодах, с той разницей, что он возникает внутри одного материала, а не на стыке двух полупроводников.

Хиральные магнетики и поток электронов

Хиральные магнетики представляют практический интерес, поскольку в них могут существовать крошечные магнитные вихри, известные как скирмионы. Они перспективны для создания энергоэффективных устройств памяти.

Ранее было предложено несколько механизмов, объясняющих направленно-зависимый поток электронов в таких материалах, но ни одно исследование не смогло разделить и определить несколько механизмов в одном материале.

Дайсукэ Накамура из Центра науки о возникающих явлениях RIKEN. Автор: RIKEN

«Если мы сможем определить механизм, это даст нам больше контроля над системой», — объясняет Дайсукэ Накамура из Центра науки о возникающих явлениях RIKEN.

Новые открытия и будущие исследования

Теперь Накамура и его коллеги обнаружили, что два отдельных эффекта могут объяснять направленно-зависимый поток электронов в хиральном магнетике.

То, какой эффект доминирует, зависит от температуры и магнитного поля. В некоторых случаях электроны, движущиеся в одном направлении, чаще рассеиваются магнитными квазичастицами с хиральностью, тогда как движущиеся в обратную сторону — рассеиваются меньше.

Другой механизм возникает при взаимодействии подвижных электронов со спиральными спинами статичных электронов, что вносит вклад в энергетическую карту, нарушающую симметрию для подвижных электронов в хиральном магнетике.

Для определения механизмов одних только экспериментальных измерений было недостаточно — потребовались также теоретические расчёты. «Выяснение механизма — очень сложная задача, — говорит Накамура. — Нам пришлось привлечь к работе теоретических физиков из RIKEN и групп-партнёров».

Для исследования команда выбрала хиральный магнит, состоящий из трёх металлов: кобальта, цинка и марганца. В отличие от многих других хиральных магнетиков, этот тип может демонстрировать спиральное расположение спинов в широком диапазоне температур, включая комнатную.

Исследователи полагают, что их выводы будут применимы и к другим системам и материалам, открывая путь к новым открытиям в области однонаправленной проводимости электричества.

Теперь они планируют изучить, что произойдёт, если изменить состав хирального магнетика, варьируя соотношение трёх металлов.

Больше информации: Daisuke Nakamura et al, Nonreciprocal transport in a room-temperature chiral magnet, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adw8023

Источник: RIKEN