Учені вперше експериментально спостерігли незвичайні магнітні вихори в ультратонкому матеріалі — явище, яке теоретично передбачили ще у 1970-х роках. Дослідження міжнародної групи фізиків на чолі з науковцями з University of Texas at Austin підтвердило давню модель двовимірного магнетизму та може відкрити шлях до створення надкомпактних нанотехнологій.
Результати роботи опубліковані в журналі Nature Materials.
Магнетизм на межі атомної товщини
Фізики досліджували поведінку матеріалів, які складаються лише з одного атомного шару. У таких умовах магнітні властивості можуть проявлятися зовсім інакше, ніж у звичайних об’ємних кристалах.
Під час експерименту вчені охолодили ультратонкий шар кристалу трисульфіду нікелю-фосфору (NiPS₃) до температур приблизно від −150 до −130 °C. У цьому температурному діапазоні матеріал перейшов у так звану фазу Березинського-Костерліца-Таулесса (BKT) — особливий магнітний стан, передбачений теоретично понад пів століття тому.
У цій фазі магнітні моменти атомів формують мініатюрні закручені структури — магнітні вихори. Вони виникають парами: один обертається за годинниковою стрілкою, інший — проти неї, залишаючись тісно пов’язаними між собою.
Фаза названа на честь фізика Vadim Berezinskii та лауреатів Нобелівської премії J. Michael Kosterlitz і David Thouless, які описали цей тип фазового переходу. За відповідну теоретичну роботу вони отримали Nobel Prize in Physics 2016.
За словами керівника дослідження Едоардо Балдіні, такі вихори можуть бути надзвичайно стабільними, хоча їхній розмір становить лише кілька нанометрів.
Друга магнітна фаза — «шестистанний годинник»
Коли температура знижувалася ще більше, дослідники зафіксували другий фазовий перехід. Матеріал перейшов у стан, який називають фазою шести станів годинника.
У цій конфігурації магнітні моменти атомів можуть орієнтуватися лише в одному з шести симетричних напрямків. Саме така послідовність фаз — від вихорів до впорядкованого стану — і була передбачена теоретичною моделлю двовимірних магнітів, створеною понад 50 років тому.
До цього моменту науковцям вдавалося спостерігати окремі етапи цього процесу, але вперше вся послідовність фаз була зафіксована в одній системі.
Шлях до нових нанотехнологій
Відкриття має не лише фундаментальне значення для фізики, але й потенційно може вплинути на розвиток нових технологій.
Магнітні вихори настільки малі та стабільні, що в майбутньому їх можуть використати для:
- надщільних систем зберігання даних
- нанорозмірної електроніки
- квантових технологій
- нових типів магнітних сенсорів
Наступним кроком для дослідників стане пошук матеріалів, у яких подібні магнітні ефекти можуть існувати при вищих температурах, бажано ближче до кімнатної.
Якщо це вдасться, технології на основі таких магнітних вихорів можуть перейти з лабораторій у практичні електронні пристрої.
Міжнародна співпраця науковців
Дослідження виконала міжнародна команда за участі науковців з кількох провідних установ, зокрема:
- Massachusetts Institute of Technology
- Academia Sinica
- University of Utah
Фінансування проекту забезпечили, зокрема, National Science Foundation та низка наукових фондів США.
Науковці вважають, що відкриття може означати лише початок ширшого пошуку нових магнітних фаз у двовимірних матеріалах.