В тонком слое полупроводников возникает механизм, не наблюдаемый в любом природном веществе, заставляющий спины электронов выравниваться.

Все магниты, с которыми вы когда-либо взаимодействовали, например, приклеенные к дверце холодильника, магнитятся по одной и той же причине. Но что, если существует другой, более странный способ сделать материал магнитным?

В 1966 году японский физик Йосуке Нагаока придумал тип магнетизма, порождаемый, движением электронов внутри гипотетического материала. Теперь группа физиков обнаружила версию предсказаний Нагаоки, воспроизведенную в материале толщиной всего в шесть атомов.

Это открытие, недавно опубликованное в журнале Nature, знаменует собой последнее достижение в пятидесятилетней охоте за ферромагнетизмом Нагаоки, при котором материал намагничивается, когда электроны внутри него минимизируют свою кинетическую энергию, в отличие от традиционных магнитов. "Именно поэтому я занимаюсь подобными исследованиями: Я узнаю то, чего мы не знали раньше, вижу то, чего мы не видели раньше", - говорит соавтор исследования Ливио Чорчиаро, который выполнил работу, будучи доктором наук в Институте квантовой электроники Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе.

В 2020 году исследователи создали ферромагнетизм Нагаоки в крошечной системе, содержащей всего три электрона, что является одной из самых маленьких систем, в которых может происходить это явление. В новом исследовании Чорчиаро и его коллеги добились этого в расширенной системе - узорчатой структуре, называемой муаровой решеткой, которая формируется из листов толщиной 2 нанометра.

Это исследование "является действительно крутым использованием этих муаровых решеток, которые являются относительно новыми", - сказал Хуан Пабло Дехоллайн, соавтор исследования 2020 года, который завершил работу в Делфтском технологическом университете. "В ней ферромагнетизм рассматривается несколько иначе."

Когда ваши параллельные спины вызывают появление поля

Традиционный ферромагнетизм возникает потому, что электроны не очень любят друг друга, поэтому у них нет желания встречаться.

Представьте себе два электрона, сидящих рядом друг с другом. Они будут отталкиваться друг от друга, потому что оба имеют отрицательный электрический заряд. В состоянии наименьшей энергии они будут находиться далеко друг от друга. А системы, как правило, оседают в своем самом низкоэнергетическом состоянии.

Согласно квантовой механике, у электронов есть еще несколько критических свойств. Во-первых, они ведут себя не как отдельные точки, а скорее как вероятностные облака тумана. Во-вторых, у них есть квантовое свойство, называемое спином, - это что-то вроде внутреннего магнита, который может быть направлен вверх или вниз. В-третьих, два электрона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии.

Как следствие, электроны с одинаковым спином будут стремиться удалиться друг от друга - если они находятся в одном и том же месте с одинаковым спином, они рискуют занять одно и то же квантовое состояние. В присутствии внешнего магнитного поля это явление может быть достаточно сильным, чтобы заставить спины электронов выстроиться в ряд, как маленькие магниты, создавая макроскопическое магнитное поле внутри материала. В таких металлах, как железо, эти взаимодействия электронов, называемые обменными, настолько сильны, что индуцированная намагниченность остается постоянной, если только металл не нагревать слишком сильно.

"Сама причина существования магнетизма в нашей повседневной жизни заключается в силе обменных взаимодействий электронов", - говорит соавтор исследования Атач Имамоглу, физик из Института квантовой электроники.

Но, как предполагал Нагаока в 1960-х годах, обменные взаимодействия могут быть не единственным способом сделать материал магнитным. Нагаока представил себе квадратную двумерную решетку, в которой на каждый участок приходится всего один электрон. Затем он выяснил, что произойдет, если удалить один из этих электронов при определенных условиях. Когда оставшиеся электроны решетки взаимодействовали между собой, дыра, в которой находился недостающий электрон, перемещалась по решетке.

По сценарию Нагаоки, общая энергия решетки была бы самой низкой, когда спины всех электронов были бы выровнены. Каждая электронная конфигурация выглядела бы одинаково - как если бы электроны были одинаковыми плитками в самой скучной в мире головоломке с раздвижными плитками. Эти параллельные спины, в свою очередь, делают материал ферромагнитным.

Когда две сетки с поворотом создают узор

Имамоглу и его коллеги догадывались, что смогут создать магнетизм Нагаоки, экспериментируя с однослойными листами атомов, которые можно сложить вместе, чтобы сформировать замысловатый узор муаре (произносится "мва-рей"). В атомарно тонких слоистых материалах муаровые узоры могут радикально изменять поведение электронов и, соответственно, материалов. Например, в 2018 году физик Пабло Харилло-Эрреро и его коллеги продемонстрировали, что двухслойные стопки графена обретают способность к сверхпроводимости, когда они смещают два слоя с поворотом.

С тех пор муаровые материалы стали новой привлекательной системой для изучения магнетизма, заняв место в одном ряду с облаками переохлажденных атомов и сложными материалами, такими как купраты. "Муаровые материалы предоставляют нам игровую площадку для синтеза и изучения состояний многих тел электронов", - говорит Имамоглу.

Исследователи начали с синтеза материала из монослоев полупроводников диселенида молибдена и дисульфида вольфрама, которые принадлежат к классу материалов, которые, как предполагалось ранее, могут проявлять магнетизм в стиле Нагаоки. Затем они приложили к муаровому материалу слабые магнитные поля различной силы, отслеживая, сколько электронов выровнялось с полем.

Исследователи повторили эти измерения, прикладывая к материалу различные напряжения, которые меняли количество электронов в муаровой решетке. Они обнаружили нечто странное. Материал был более склонен к выравниванию с внешним магнитным полем, то есть к более ферромагнитному поведению, только когда в нем было на 50 процентов больше электронов, чем участков решетки. Когда же в решетке было меньше электронов, чем участков решетки, исследователи не наблюдали никаких признаков ферромагнетизма. Это было противоположно тому, что они ожидали бы увидеть, если бы работал стандартный ферромагнетизм Нагаоки.

Как бы ни намагничивался материал, обменные взаимодействия, похоже, не были его движущей силой. Но и простейшие версии теории Нагаоки не полностью объясняли его магнитные свойства.

Когда ваши вещи намагничиваются, а вы несколько удивлены

В конечном итоге все сводится к движению. Электроны снижают свою кинетическую энергию, разлетаясь в пространстве, что может привести к тому, что волновая функция, описывающая квантовое состояние одного электрона, наложится на волновую функцию соседних, связывая их судьбы вместе. В материале, полученном командой, когда электронов в муаровой решетке стало больше, чем мест в решетке, энергия материала уменьшилась, когда лишние электроны стали расходиться, как туман, стелющийся по бродвейской сцене. Затем они мимолетно объединялись с электронами в решетке, образуя двухэлектронные комбинации, называемые дублонами.

Эти странствующие дополнительные электроны и образуемые ими дублоны не могли делокализоваться и распространяться внутри решетки, если электроны в окружающих участках решетки не имели выровненных спинов. Поскольку материал неустанно стремился к своему низкоэнергетическому состоянию, в итоге дублоны имели тенденцию создавать небольшие локализованные ферромагнитные области. До определенного порога, чем больше дублонов проходит через решетку, тем более ферромагнитным становится материал.

Кстати, Нагаока предположил, что этот эффект будет работать и тогда, когда в решетке меньше электронов, чем участков решетки, чего исследователи не наблюдали. Но согласно теоретической работе команды, опубликованной в журнале Physical Review Research в июне до получения экспериментальных результатов, эта разница сводится к геометрическим особенностям треугольной решетки, которую они использовали, в сравнении с квадратной решеткой в расчетах Нагаоки.

Это муаре

В ближайшее время вы не сможете прикрепить кинетические ферромагниты к своему холодильнику, если только вы не готовите в одном из самых холодных мест во Вселенной. Исследователи оценили ферромагнитное поведение муарового материала при температуре 140 милликельвинов.

По мнению Имамоглу, вещество, тем не менее, открывает новые захватывающие возможности для изучения поведения электронов в твердых телах - и для таких применений, о которых Нагаока мог только мечтать. В сотрудничестве с Юджином Демлером и Иваном Морера Наварро, физиками-теоретиками из Института теоретической физики, он хочет изучить, можно ли использовать кинетические механизмы, подобные тем, что действуют в материале муара, для манипулирования заряженными частицами, чтобы они объединялись в пары, потенциально указывая путь к новому механизму сверхпроводимости.

"Я еще не говорю, что это возможно", - сказал он. "Это то, к чему я хочу прийти".

Оригинал статьи перепечатан с разрешения журнала Quanta, независимого издания Фонда Саймонса, чья миссия заключается в улучшении понимания общественностью науки путем освещения научных разработок и тенденций в математике, физических науках и науках о жизни.