Квантовый дефект в алмазе поможет открыть новый тип магнетизма

Иллюстрация атомной структуры альтермагнетиков. Соседние атомы повернуты, а их магнитные спины перевернуты. Credit: Libor Šmejkal & Anna Birk Hellenes

На протяжении десятилетий ученые признавали только два основных типа магнитов. Первый — знакомый всем ферромагнетик, который используется в магнитах на холодильнике и бесчисленных повседневных устройствах. Второй — антиферромагнетик, чьи магнитные свойства скрыты на атомном уровне, но привлекают все больший интерес из-за потенциала в передовых технологиях.

Недавно исследователи идентифицировали третью категорию — альтермагнетики. Впервые предложенные в течение последнего десятилетия, эти материалы могут сочетать в себе некоторые из наиболее полезных характеристик как ферромагнетиков, так и антиферромагнетиков, потенциально открывая путь к более быстрой и энергоэффективной электронике.

Теперь физики из Университета в Буффало предложили новый подход к квантовому зондированию, который может значительно упростить идентификацию альтермагнетиков.

Предлагаемый метод, описанный в журнале Physical Review Letters, основан на обнаружении того, как предполагаемый альтермагнетик влияет на крошечный магнитный дефект внутри находящегося рядом алмаза. Наблюдая за тем, как со временем релаксирует магнитный сигнал дефекта, исследователи смогут выявить характерные признаки альтермагнетизма.

«Это может стать первым строительным блоком нового поколения экспериментов, определяющих, является ли материал альтермагнетиком, — говорит соавтор исследования Джамир Марино, доктор философии, доцент кафедры физики Университета в Буффало. — Альтермагнетики могли бы полностью революционизировать способ передачи информации, но, чтобы подтвердить эту элегантную теорию, нам нужны эксперименты, которые идентифицируют альтермагнетики и подтвердят, что они ведут себя так, как предсказывают ученые».

Соавторами исследования выступили бывшие коллеги Марино — Либор Шмейкал и Хайро Синова из Университета Иоганна Гутенберга в Майнце, которые изначально и предложили концепцию альтермагнетиков. «Эта методика зондирования может стать очень важным инструментом для изучения кандидатов в альтермагнитные материалы, — отмечает Синова. — Она дает преимущества перед традиционными экспериментальными методами, обнаруживая тонкие направленные магнитные паттерны в разных областях материала, не нарушая его существенно».

Идея альтермагнетизма возникла в 2019 году, когда исследователи в Майнце столкнулись с поведением, которое не могли объяснить ни ферромагнетики, ни антиферромагнетики. Их расчеты показали, что диоксид рутения не должен обладать общей намагниченностью, как антиферромагнетик. Однако при воздействии электрического тока он вел себя скорее как ферромагнетик. Этот неожиданный результат привел к развитию концепции альтермагнетика.

В обычных магнитах атомы и их электронные спины обычно выстраиваются в относительно простые паттерны. В ферромагнетиках соседние электронные спины направлены в одну сторону, создавая внешнее магнитное поле. Антиферромагнетики работают иначе: соседние спины направлены в противоположные стороны, и их магнитные эффекты взаимно уничтожаются. Альтермагнетики занимают промежуточное положение. Подобно антиферромагнетикам, их общая намагниченность обнуляется. Однако расположение атомов внутри материала заставляет электроны вести себя так, как это обычно характерно для ферромагнетиков.

«Такое расположение позволяет альтермагнетикам сочетать быстрое переключение антиферромагнетиков с некоторыми более легко контролируемыми электронными свойствами ферромагнетиков», — поясняет Марино.

Исследователи из Майнца и других мест уже сообщили об экспериментальных признаках альтермагнетизма в нескольких материалах. Теоретические исследования показывают, что класс может быть гораздо шире: более 200 материалов потенциально могут быть альтермагнетиками. Это более чем вдвое превышает количество известных ферромагнитных материалов.

Чтобы помочь идентифицировать этих кандидатов, команда Марино разработала свой метод квантового зондирования. Подход основан на использовании алмаза, содержащего микроскопический магнитный дефект, образованный атомом азота и отсутствующим соседним атомом углерода. Эти дефекты чрезвычайно чувствительны к близлежащей магнитной активности. В предлагаемых экспериментах исследователи будут вращать магнитный спин дефекта в разных направлениях и измерять, как быстро он релаксирует. Если релаксация будет происходить быстрее в одних направлениях, чем в других, это поведение может выявить сложные спиновые конфигурации, предсказанные для альтермагнетиков.

Важным преимуществом метода является то, что он будет менее разрушительным, чем многие существующие методы изучения магнитных материалов. «Не нужно, чтобы ваше измерение сильно возмущало изучаемый материал, потому что становится сложнее понять, видите ли вы естественное поведение материала или поведение, вызванное экспериментом», — подчеркивает Марино.

Марино отмечает, что система зондирования пока существует только как теоретическое предложение. Команда разработала его с использованием сложных моделей, симулирующих квантовую динамику, но для подтверждения того, может ли метод надежно идентифицировать альтермагнетики, потребуется экспериментальная проверка. «Эффективная идентификация альтермагнитных материалов — это решающий шаг на пути к их реальному использованию в электронике, — заключает Марино. — Альтермагнетики сделали бы передачу информации радикально более эффективной. Это позволило бы уменьшить масштабы технологий и снизить их энергопотребление».