Учёные обнаружили новый тип магнетизма в ультратонком материале

Учёные, возможно, нашли способ включить скрытую форму магнетизма, которая может помочь изменить будущее компьютерной памяти. Недавно предложенная форма магнетизма, известная как альтермагнетизм, потенциально сможет сделать компьютерную память меньше, быстрее и эффективнее. Теперь исследователи обнаружили доказательства того, что диоксид рутения, квантовый материал, ранее считавшийся немагнитным в объёмной форме, может проявлять это необычное магнитное поведение при создании в виде ультратонкой плёнки толщиной всего в несколько атомных слоёв.

Физик из Университета Райса Мин И, работавший с Бхаратом Джаланом из Университета Миннесоты и Миланом Радовичем из Института Пауля Шеррера, сообщил об этих результатах в журнале Science Advances.

«Диоксид рутения был одним из первых материалов, предложенных в качестве кандидата в альтермагнетики, но исследования его объёмной формы не дали доказательств магнетизма, — сказал И, доцент кафедры физики и астрономии. — Наше исследование показывает, что его ультратонкая форма, с другой стороны, может быть ключом к приданию ему магнитных свойств».

Обнаружение магнетизма через спины электронов

Чтобы исследовать магнитное состояние ультратонкого диоксида рутения, исследователи изучили его спиновую текстуру. Спиновая текстура описывает, как магнитные моменты материала — спины его электронов — расположены в пространстве. Эти закономерности могут показать, является ли материал магнитным и, если да, то какой именно вид магнетизма он проявляет.

Команда измерила эти закономерности с помощью метода, называемого спиново-разрешённой фотоэмиссионной спектроскопией с угловым разрешением.

«Проанализировав наши измерения, включая интерпретацию с помощью теоретических расчётов, мы обнаружили, что в наших экспериментальных условиях диоксид рутения демонстрирует спиновые текстуры, согласующиеся с нетрадиционным магнетизмом, — сказал Ичэнь Чжан, первый автор статьи и недавний выпускник Университета Райса. — Это позволяет предположить, что объёмный и ультратонкий диоксид рутения при правильных условиях могут иметь совершенно разные магнитные свойства».

Атомное напряжение может действовать как магнитный контроль

Исследователи обнаружили, что необычное спиновое поведение проявлялось при определённых условиях. В частности, электронная структура ультратонкого диоксида рутения должна была испытывать деформацию решётки, которая оказывает давление на атомную структуру материала.

Без этой деформации, как в естественной объёмной форме материала, электронные спины не показывали признаков альтермагнетизма.

«Зависимость от деформации позволяет предположить, что мы можем использовать деформацию решётки как регулятор для индукции или контроля альтермагнетизма, — сказал Чжан. — Это может быть чрезвычайно полезно при разработке спиновой электроники и архитектур оперативной памяти следующего поколения».

Результат открывает возможность того, что исследователи смогут намеренно регулировать деформацию решётки для управления магнитным поведением в будущих электронных материалах. Такой контроль может оказаться ценным для спинтроники — области, использующей спин электрона, а также электрический заряд для обработки и хранения информации, — и для новых конструкций компьютерной памяти.

Многолетний спор о диоксиде рутения

Результаты также подчёркивают, насколько сложно может быть идентифицировать и описывать поведение квантовых материалов. Диоксид рутения находился в центре длительного научного спора, поскольку физики пытались определить, является ли его объёмная форма магнитной. В конечном итоге исследователи пришли к консенсусу, что объёмный диоксид рутения не проявляет магнетизма.

Новая работа предполагает, что изменение размеров материала и создание деформации его атомной структуры может привести к совершенно иному поведению.

«Эта работа показывает, насколько сложными могут быть эти вопросы, — сказал И. — Высококачественная подготовка материала и тщательный протокол измерений имели решающее значение для нашего наблюдения правильных спиновых свойств электронов. Результаты потребовали тщательного анализа спиново-разрешённой фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением. Благодаря этому мы смогли определить не только симметрии магнитного состояния, но и потенциальный способ управления им в квантовых материалах следующего поколения».

Работа финансировалась Министерством энергетики США, инициативой EPiQS Фонда Гордона и Бетти Мур и Фондом Роберта А. Уэлча.