Дослідники виявили новий тип магнетизму в штучному матеріалі з двовимірних шарів двох напівпровідників.
Фізики зі Швейцарської вищої технічної школи Цюріха (ETH Zurich) відкрили дивну нову форму магнетизму в муаровому матеріалі, отриманому при накладенні двовимірних листів діселеніда молібдену і дисульфіду вольфраму. У міру збільшення кількості електронів у вузлах решітки матеріал перетворювався з парамагнетика в феромагнетик.
Дослідники створили спеціальний матеріал, наклавши атомарно тонкі шари двох різних напівпровідникових матеріалів один на одного. Решітки з атомів при накладенні формують складний муаровий візерунок. Щоб досліджувати магнітні властивості таких матеріалів, вчені «влили» у вузли решітки електрони, подавши електричний струм і поступово збільшуючи напругу.
Фізики освітили матеріал лазерним світлом і виміряли, наскільки сильно світло відбивається при різних поляризаціях. Поляризація вказує, в якому напрямку коливається електромагнітне поле лазерного променя. Залежно від орієнтації магнітних моментів – і, отже, спини електронів – матеріал відбиває світло з поляризацією по-різному. З цієї різниці вчені визначили, чи спрямовані спини в одному і тому ж напрямку або в різних напрямках і оцінили намагніченість.
- Деякі бактерії здатні перетворювати лід у воду
- Інженери розробили роботів, які самознищуються і не залишають слідів
- Перша в світі плавуча вітростанція: ефективність роботи перевищує всі прогнози
Спочатку матеріал виявляв парамагнетизм, але в міру того, як вчені збільшували число електронів у вузлах решітки, він продемонстрував раптовий і несподіваний зсув, ставши феромагнетиком. Цікаво, що цей зсув стався саме тоді, коли решітка заповнилася більш ніж на один електрон на вузол решітки, що виключило обмінну взаємодію — звичайний механізм, який управляє феромагнетизмом.
У муаровому матеріалі спини електронів невпорядковані, якщо на кожен вузол решітки доводиться рівно один електрон (зліва). Як тільки електронів стає більше, ніж вузлів решітки (праворуч) і пари електронів можуть утворювати дублони (червоний), спини вирівнюються феромагнітно, оскільки це мінімізує кінетичну енергію. Ілюстрація: ETH Zurich
Феромагнетики — найбільш відомий вид магнетизму. До таких матеріалів, наприклад, відносяться магнітики на холодильнику. У таких речовинах спини всіх електронів спрямовані в одному напрямку, і цей ефект зберігається навіть при відсутності зовнішнього магнітного поля. У парамагнетики магнітні моменти атомів і спини електронів у звичайному стані спрямовані в різні боки, але вони можуть вирівнюватися під впливом зовнішнього магнітного поля.
«Класичний» феромагнетизм в таких матеріалах, наприклад, як залізо або нікель, виникає через обмінну взаємодію. Це комбінація електростатичного відштовхування між електронами і квантовомеханічних ефектів спинів електронів. Але в експерименті в штучному матеріалі діяли інші сили.
Дослідники вважають, що в муаровому матеріалі діє наступний механізм: коли в вузли решітки потрапляє більше одного електрона, вони об’єднуються в частинки, звані «дублон», які в кінцевому підсумку заповнюють всю решітку за допомогою квантового тунелювання. При цьому електрони мінімізують кінетичну енергію, вирівнюючи свої спини, створюючи тим самим феромагнетизм. Цей «кінетичний магнетизм» теоретично передбачався протягом десятиліть, але раніше не спостерігався у твердих матеріалах.