«Ранее у нас было два хорошо известных типа магнетизма», — рассказал Live Science автор исследования Оливер Амин, постдокторский исследователь из Ноттингемского университета (Великобритания). «Ферромагнетизм, когда магнитные моменты, которые можно представить как маленькие стрелки компаса в атомном масштабе, все направлены в одну сторону. А антиферромагнетизм, когда соседние магнитные моменты направлены в противоположные стороны, можно представить как шахматную доску с чередующимися белыми и черными плитками».

Спины электронов в электрическом токе должны быть направлены в одну из двух сторон и могут выравниваться с магнитными моментами или против них, чтобы хранить или переносить информацию, что составляет основу устройств магнитной памяти.

Новая форма магнетизма

Альтермагнитные материалы, впервые теоретически обоснованные в 2022 году, имеют структуру, находящуюся где-то посередине. Каждый отдельный магнитный момент направлен в противоположную сторону от своего соседа, как в антиферромагнитном материале. Но каждый из них слегка закручен относительно соседнего магнитного атома, что приводит к некоторым ферромагнитным свойствам.

Таким образом, альтермагнетики сочетают в себе лучшие свойства как ферромагнитных, так и антиферромагнитных материалов. «Преимущество ферромагнитов в том, что у нас есть простой способ считывать и записывать память, используя эти домены вверх или вниз», — рассказал Live Science соавтор исследования Альфред Даль Дин, докторант Ноттингемского университета. «Но поскольку эти материалы обладают чистым магнетизмом, эту информацию также легко потерять, проведя по ней магнитом».

Похожие статьи: ‘Сила, более мощная, чем гравитация, внутри Земли’: Как магнетизм заперся внутри нашей планеты

Напротив, антиферромагнитными материалами гораздо сложнее манипулировать для хранения информации. Однако, поскольку их намагниченность равна нулю, информация в таких материалах гораздо надежнее и быстрее переносится. «Альтермагнетики обладают скоростью и устойчивостью антиферромагнетиков, но у них также есть важное свойство ферромагнетиков, которое называется нарушением симметрии обратного времени», — говорит Дал Дин.

Это поражающее воображение свойство рассматривает симметрию объектов, движущихся вперед и назад во времени. «Например, частицы газа летают вокруг, беспорядочно сталкиваясь и заполняя пространство», — говорит Амин. «Если отмотать время назад, это поведение не изменится».

Это означает, что симметрия сохраняется. Однако, поскольку электроны обладают квантовым спином и магнитным моментом, обращение времени вспять — и, следовательно, направление движения — переворачивает спин, а значит, симметрия нарушается. «Если вы посмотрите на эти две электронные системы — одну, где время идет нормально, и другую, где вы находитесь в перемотке, — они выглядят по-разному, так что симметрия нарушена», — объясняет Амин. «Это позволяет существовать определенным электрическим явлениям».

Поиск «недостающего звена» сверхпроводимости

Команда под руководством Питера Уодли, профессора физики из Ноттингемского университета, использовала метод фотоэмиссионной электронной микроскопии для получения изображения структуры и магнитных свойств теллурида марганца, материала, который ранее считался антиферромагнитным.

«Различные аспекты магнетизма освещаются в зависимости от поляризации рентгеновских лучей, которые мы выбираем», — говорит Амин. Круглополяризованный свет выявил различные магнитные домены, образовавшиеся в результате нарушения симметрии обратного времени, а горизонтально или вертикально поляризованные рентгеновские лучи позволили команде измерить направление магнитных моментов во всем материале. Объединив результаты обоих экспериментов, исследователи создали первую в истории карту различных магнитных доменов и структур внутри альтермагнитного материала.

На основе полученных данных команда создала серию альтермагнитных устройств, манипулируя внутренними магнитными структурами с помощью метода контролируемого термоциклирования.

«Мы смогли сформировать эти экзотические вихревые текстуры как в гексагональных, так и в треугольных устройствах», — говорит Амин. «Эти вихри привлекают все больше внимания в спинтронике как потенциальные носители информации, так что это был хороший первый пример создания практического устройства».

Авторы исследования заявили, что возможность как изображать, так и контролировать эту новую форму магнетизма может произвести революцию в разработке устройств памяти следующего поколения, увеличив скорость работы, повысив устойчивость и простоту использования.

«Альтермагнетизм также поможет в развитии сверхпроводимости», — говорит Дал Дин. «Долгое время существовала дыра в симметрии между этими двумя областями, и этот класс магнитных материалов, который до сих пор оставался неуловимым, оказался тем самым недостающим звеном в головоломке».

Теперь, когда альтермагнетизм стал частью научного дискурса, ученые обратили внимание на его потенциал в различных областях, включая квантовые вычисления и энергосистемы. Исследователи уверены, что новые альтермагнитные материалы могут значительно улучшить надежность и производительность квантовых битов, которые являются строительными блоками квантовых компьютеров. Благодаря своим уникальным свойствам, альтермагнитики обладают способностью поддерживать квантовые состояния на более длительное время, что критически важно для стабилизации вычислений.

«Мы видим, что альтермагнетизм может открыть двери не только для новой магнитной памяти, но и для создания более мощных и устойчивых квантовых систем,» — добавляет Амин. «Эти материалы могут стать основой для нового поколения квантовых устройств с улучшенной координацией и взаимодействием.»

Команда исследователей планирует развернуть свои усилия на изучение того, как альтермагнитные материалы могут интегрироваться в существующие технологии, такие как флэш-память и жесткие диски. Работы по созданию активных элементов памяти на основе альтермагнетизма уже стартовали, и опыт будет использован для разработки более эффективных высокоскоростных устройств.

С ростом интереса к исследованию альтермагнетизма, ученые сталкиваются с новыми вызовами. Основной задачей становится масштабирование производственных процессов, чтобы сделать альтермагнитные материалы доступными для массового использования. «Мы понимаем, что нам нужно не только продемонстрировать потенциал альтермагнетизма в лабораторных условиях, но и наладить производство, которое удовлетворит требования индустрии,» — подчеркивает Дал Дин.

Вдобавок, совместная работа с инженерами и учеными из других дисциплин обречена на успех. Исследования в области материаловедения, электроника и даже биомедицинских технологий будут вынуждены учитывать новые характеристики альтермагнитных систем, направляясь к созданию гибких, адаптивных решений.

Так, ученые Ноттингемского университета начинают новую эру исследований и разработок, провоцируя интерес к альтермагнетизму и его потенциальному влиянию на то, как мы храним и обрабатываем информацию в будущем. Этот шаг может обернуться настоящей революцией, изменяющей отрасль технологий на долгие годы вперед.