Почти 90 лет физики делили магнитные материалы на две основные категории: ферромагнетики и антиферромагнетики. Теперь ученые подтвердили, что существует и третий тип. Это ранее не признанная форма магнитного поведения, которая может привести к серьезным достижениям в вычислительной технике и электронике.
Прорыв совершила исследовательская группа под руководством Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США. В статье, опубликованной в журнале Science, исследователи представили убедительные экспериментальные доказательства альтермагнетизма — особой магнитной фазы, которая сочетает важные черты двух традиционно признанных типов.
«За последние несколько лет ученые наблюдали явления, которые не укладываются в дихотомию „ферромагнетизм — антиферромагнетизм“, — пояснил ведущий автор работы Дэниел Йост, научный сотрудник SLAC и Стэнфордского института материаловедения и энергетики. — Исследователи накапливали свидетельства существования третьего типа магнетизма, который объединяет качества этих двух классов. Мы считаем, что наши результаты дают надежное экспериментальное подтверждение того, что эта третья фаза — альтермагнетизм — реальна».
Команда изучала теллурид марганца (MnTe) — материал, который долгое время относили к антиферромагнетикам. Опираясь на более ранние исследования, ученые обнаружили прямое свидетельство хиральности — характерной асимметрии в магнитной структуре материала. Это свойство напоминает то, как винтовая лестница или винт закручиваются в определенную сторону, и служит важным признаком альтермагнетизма.
Помимо значения для фундаментальной физики, это открытие может помочь исследователям создавать магнитные материалы со свойствами, подходящими для будущих технологий, включая современные системы памяти, квантовые устройства и более энергоэффективные центры обработки данных.
Два традиционных типа магнетизма
Магнетизм знаком нам по повседневной жизни: магнит на холодильнике удерживает фотографию, а стрелка компаса выстраивается вдоль магнитного поля Земли. Но физика, стоящая за этими эффектами, гораздо сложнее, чем кажется.
На атомном уровне магнетизм связан с квантовым свойством электронов, которое называется спином. Хотя спин — это не буквальное вращение электрона, как маленького шарика, в некоторых отношениях электрон ведет себя так, будто обладает собственным моментом импульса. Две возможные ориентации спина ученые обычно называют «вверх» и «вниз».
Когда спины упорядочиваются в определенные структуры, материал может проявлять магнитные свойства. Однако это не обязательно означает, что он создаст магнитное поле, которое можно обнаружить снаружи.
В ферромагнитных материалах спины электронов направлены одинаково (вверх-вверх-вверх или вниз-вниз-вниз). Их совместное действие создает знакомое магнитное поле обычных магнитов. Материалы с таким поведением люди используют тысячи лет.
Вторая категория, выделенная в 1933 году, работает иначе. В антиферромагнетиках спины соседних электронов направлены в противоположные стороны (вверх-вниз-вверх-вниз). Поскольку магнитные вклады противоположны, они взаимно компенсируются, и суммарной намагниченности не возникает.
Третий тип магнетизма бросает вызов старым правилам
Почти девять десятилетий эти две категории составляли основу для понимания того, как в материалах возникает магнитный порядок. Однако в последние годы экспериментальные наблюдения начали выявлять поведение, которое ни одна из них не могла полностью объяснить.
Некоторые материалы демонстрировали чередующиеся спины электронов и отсутствие суммарной намагниченности, как у антиферромагнетиков. При этом они могли поддерживать полезные спиновые токи — свойство, связанное с ферромагнитным поведением. Спиновые токи позволяют переносить информацию с помощью спиновых свойств электронов, а не только за счет их электрического заряда.
Необычное сочетание свойств указывало на то, что речь идет о чем-то принципиально ином. В 2022 году исследователи ввели термин «альтермагнетики» для материалов, относящихся к этому предполагаемому третьему магнитному классу.
Ключевое отличие заключается в расположении атомов в материале. У альтермагнетиков спины чередуются (вверх-вниз-вверх-вниз), но кристаллические структуры вокруг противоположно направленных спинов повернуты относительно друг друга.
Этот поворот нарушает одну из форм симметрии, присущую обычным антиферромагнетикам. Хотя различие тонкое, оно может кардинально изменить поведение электронов, позволяя альтермагнетикам сочетать свойства, прежде считавшиеся несовместимыми.
Ученые нашли недостающее доказательство альтермагнетизма
Даже по мере накопления экспериментальных подтверждений альтермагнетизма исследователям по-прежнему требовался решающий способ показать, что это действительно самостоятельная магнитная фаза.
«К 2024 году уже были факторы, которые весомо говорили в пользу реальности альтермагнетизма, — сказал Йост, — но в этой мозаике все еще не хватало одного элемента».
Недостающее доказательство было связано с хиральностью — свойством, которое иногда описывают как «рукость». Объект хирален, если его зеркальное отражение нельзя идеально совместить с оригиналом. Простой пример — человеческие руки: левая и правая — зеркальные отражения друг друга, но левая рука не поместится как следует в перчатку для правой.
В альтермагнетике необычное расположение атомов и спинов электронов может создавать такую «рукость» в электронной и магнитной структуре материала. Обычные антиферромагнетики такой хиральной сигнатурой не обладают.
Обнаружение этого различия стало бы надежным способом отличить настоящий альтермагнетик от материала, который лишь похож на него.
В качестве объекта для проверки исследователи выбрали теллурид марганца. Десятилетиями ученые считали его обычным антиферромагнетиком, но более поздние исследования позволили предположить, что он относится к недавно предложенной категории.
Мощное рентгеновское излучение выявляет скрытую магнитную сигнатуру
Чтобы изучить необычные свойства материала, команда провела эксперименты на Европейском центре синхротронного излучения (ESRF) во Франции. Канал ID32 этого центра создает точно управляемое поляризованное рентгеновское излучение, которое позволяет исследовать тонкие магнитные структуры, обнаружить которые иначе крайне трудно.
Исследователи использовали рентгеновское излучение с круговой поляризацией: вектор его электрического поля по мере распространения света вращается либо влево, либо вправо. Измеряя, как материал рассеивает эти две формы света, они могли искать признаки хиральности.
«Хиральные материалы рассеивают рентгеновские пучки с левой поляризацией иначе, чем с правой, — пояснил Йост. — Нехиральные материалы рассеивали бы оба пучка одинаково».
Эксперимент показал явное различие в том, как теллурид марганца взаимодействует с двумя поляризациями рентгеновского излучения. Этот характерный хиральный отклик — именно тот сигнал, который ожидается от альтермагнетизма и которого не было бы у обычного антиферромагнетика.
«Эта хиральная сигнатура дала нам твердую экспериментальную основу, чтобы утверждать: альтермагнетизм относится к отдельному классу», — сказал Йост.
Впервые исследователи провели эксперимент в 2024 году. В начале 2025 года они вернулись и повторили измерения, успешно воспроизведя результаты и укрепив доказательства существования новой магнитной фазы.
«Эта методика помогла нам подтвердить, что теллурид марганца действительно проявляет альтермагнитные свойства, — сказала Рэйчел Никель, постдок ESRF, соавтор работы, помогавшая разрабатывать и проводить эксперимент на канале ID32. — Альтермагнетизм был предложен всего несколько лет назад, и быстрый прогресс в подтверждении этих моделей поразителен».
Почему альтермагнетизм может изменить компьютеры будущего
Открытие может иметь важные последствия для спинтроники — развивающейся области, которая стремится использовать спин электронов для создания более совершенных электронных устройств.
Обычная электроника хранит и обрабатывает информацию главным образом за счет управления электрическим зарядом электронов. Спинтроника добавляет еще один способ работы с информацией, используя также спин электронов.
Эта дополнительная возможность может позволить создавать устройства, которые работают быстрее, лучше противостоят помехам и потребляют значительно меньше электроэнергии. Такие улучшения были бы особенно ценны для компьютерной памяти, крупных центров обработки данных и других технологий, требующих обработки огромных объемов информации.
Однако у двух традиционных типов магнетизма есть разные недостатки, которые ограничивали развитие спинтронных систем.
«Ферромагнетики слишком легко поддаются влиянию магнитных полей, — пояснил Йост. — Если у вас в кармане лежит постоянный магнит и вы пройдете мимо спинтронного устройства на основе ферромагнетиков, биты могут начать переключаться, и хранящаяся информация исказится. Антиферромагнетики решают эту проблему, но они практически невидимы, поэтому хранящиеся в них данные трудно считать, а использовать их для создания эффективных спиновых токов непросто».
Альтермагнетики предлагают потенциально ценную альтернативу. Как и у антиферромагнетиков, их противоположные спины не создают суммарной намагниченности, что защищает их от нежелательных магнитных помех. В то же время их необычная электронная структура позволяет им генерировать спин-поляризованные токи, которые можно использовать для считывания информации.
«Альтермагнетики сочетают лучшее из обоих миров, — сказал Йост. — У них нулевая суммарная намагниченность, поэтому они стабильны, но при этом способны генерировать спин-поляризованные токи, необходимые для легкого извлечения информации. Это дает дополнительную степень свободы в работе».
Новый рубеж для квантовых технологий и электроники
Подтверждение альтермагнетизма дает ученым новый класс материалов, которые можно исследовать и потенциально использовать в технологических приложениях. Сочетая магнитную стабильность со способностью управлять информацией, основанной на спине, эти материалы могут помочь преодолеть трудности, сдерживавшие развитие обычных спинтронных устройств.
Следующим шагом станет изучение того, как управлять альтермагнитными состояниями с помощью внешних воздействий, таких как свет и электричество. Исследователи надеются, что освоение такого управления позволит создавать практические устройства, использующие необычные магнитные свойства.
Хотя до широкого применения этих материалов потребуется значительная дополнительная работа, полученные результаты создают более прочную экспериментальную основу для будущих исследований в области квантовых технологий, компьютерной памяти и более эффективных центров обработки данных.
Исследование частично финансировалось Управлением науки Министерства энергетики США.