Американские физики обнаружили признаки альтермагнетизма в слоистом соединении Co1/4TaSe2. Это недавно выделенное состояние магнитного порядка может сочетать свойства ферромагнетиков и антиферромагнетиков, сохраняя возможность управлять спиновыми токами без создания мешающих магнитных полей. Результаты работы команды под руководством профессора физики UCF Мадхаба Неупане опубликованы ScienceDaily.
Обычная электроника передаёт и обрабатывает данные за счёт движения электрического заряда. Исследователи рассчитывают дополнительно использовать спин — внутреннее свойство электрона, связанное с его магнитным моментом. Управление спином может привести к созданию более быстрых и экономичных вычислительных устройств.
В ферромагнетиках магнитные моменты ориентированы в одном направлении и формируют общее магнитное поле. Это полезно для техники, однако такие материалы создают рассеянные поля, способные мешать работе соседних компонентов, особенно в компактных устройствах. В антиферромагнетиках моменты направлены противоположно и компенсируют друг друга, но им недостаёт некоторых электронных свойств, привлекательных для прикладных технологий.
Альтермагнетики могут объединять преимущества обоих типов. Они способны работать без значительных рассеянных полей и одновременно создавать и регистрировать спиновые токи — потоки электронных спинов внутри материала. По словам Неупане, это делает такие соединения перспективными для спинтроники, сверхбыстрой памяти, терагерцевых сетей и энергоэффективной электроники.
Чтобы проверить магнитное состояние Co1/4TaSe2, учёные изучили поведение электронов с помощью фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES). Сначала измерения высокого разрешения, не чувствительные к спину, выявили расщепление энергетических уровней. Затем спин-разрешённая ARPES показала, что разделившиеся электронные состояния обладают противоположной спиновой поляризацией — характерным признаком альтермагнетизма.
Проведение эксперимента требовало особенно чистых поверхностей, поскольку фотоэмиссионные методы чувствительны даже к небольшим загрязнениям. Сотрудники исследовательской группы подготовили качественные образцы, после чего команда Неупане проверила их перед картированием электронных свойств. Совпадение независимых измерений с теоретическими расчётами позволило учёным заключить, что они обнаружили слоистый альтермагнетик.
Co1/4TaSe2 состоит из очень тонких слабо связанных слоёв, которые можно разделять и объединять в ультратонкие структуры. Соединение относится к дихалькогенидам переходных металлов, а расположенные между слоями атомы кобальта определяют его необычные магнитные характеристики. Такая архитектура позволяет изменять материал и наблюдать, как эти изменения влияют на его электронные и магнитные свойства.
Измерения показали, что важное электронное состояние формируется главным образом внутри материала, а не только на его поверхности. Ведущий аспирант проекта Майло Спрага отметил, что доступная модификация соединения поможет изучать взаимодействие спин-поляризованных состояний с другими магнитными явлениями. Исследователи также намерены выяснить, почему возникает альтермагнитный порядок и при каких условиях он оказывается предпочтительнее ферромагнитного или других антиферромагнитных состояний.
Поиск таких материалов связан с развитием спинтроники — направления, использующего спин электронов для передачи и обработки цифровой информации. Слоистые альтермагнетики могут объединить возможности ультратонких регулируемых материалов и спиновых токов, избежав магнитных помех, характерных для обычных ферромагнетиков. Работа выполнена при поддержке Управления науки Министерства энергетики США по гранту DE-SC0024304.