Ученые открыли новый вид магнетизма и превратили теорию в реальность

Учёные из ETH Zurich обнаружили новый вид магнетизма. Эксперименты показали, что искусственно созданный материал приобретает магнитные свойства благодаря механизму, который ранее не наблюдался.

Традиционный магнетизм, который, например, удерживает магниты на холодильнике, называется ферромагнетизмом и возникает, когда спины всех электронов в материале направлены в одну сторону. Однако существуют и другие формы, например, парамагнетизм – более слабая версия, возникающая, когда спины электронов ориентированы случайным образом.

В новом исследовании учёные ETH исследовали магнитные свойства муаровых материалов, экспериментальных материалов, созданных путём наложения двумерных слоёв диселенида молибдена и дисульфида вольфрама. Эти материалы имеют решётчатую структуру, способную содержать электроны.

Для изучения типа магнетизма этих муаровых материалов команда "заливала" их электронами, пропуская через них электрический ток и постепенно увеличивая напряжение. Затем, чтобы измерить их магнетизм, исследователи облучали материал лазером и измеряли степень отражения света при различных поляризациях. Это позволило определить, указывают ли спины электронов в одном направлении (что указывает на ферромагнетизм) или в случайных направлениях (для парамагнетизма).

Первоначально материал проявлял парамагнетизм, но с добавлением большего количества электронов в решётку произошёл внезапный и неожиданный сдвиг, и материал стал ферромагнитным. Этот сдвиг произошёл точно тогда, когда решётка заполнилась более чем одним электроном на узел, что исключило обменное взаимодействие – обычный механизм, вызывающий ферромагнетизм.

"Это было убедительное свидетельство нового типа магнетизма, который нельзя объяснить обменным взаимодействием", - сказал Атач Имамоглу, ведущий автор исследования.

Команда предложила другой механизм: когда в узлы решётки входит более одного электрона, они объединяются в частицы, называемые "дублонами", которые заполняют всю решётку благодаря квантовому туннелированию. В результате электроны минимизируют свою кинетическую энергию, выстраивая свои спины, и таким образом создают ферромагнетизм. Такой "кинетический магнетизм" был теоретически предсказан десятилетия назад, но до сих пор не наблюдался в твёрдых материалах.

Исследователи планируют более детально изучить это явление, включая возможность его достижения при более высоких температурах. В рамках этого эксперимента материал пришлось охладить почти до абсолютного нуля.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature .