Физики 50 лет верили в плоские магнитные вихри на слово. Пришлось заморозить атомарный кристалл, чтобы увидеть теорию вживую
NewsMakerЧтобы сделать электронику мощнее, материал пришлось раскатать до толщины атома и заморозить до -150°C.
Физики из Университета Техаса в Остине экспериментально проверили идею, появившуюся ещё в 1970-х годах, о том, как должен вести себя магнетизм в предельно тонких материалах. В массивном железе или никеле магнитные моменты атомов обычно выстраиваются согласованно, поэтому вещество становится магнитом. В слое толщиной в один атом такой порядок держится хуже: тепловые колебания легче его разрушают, а вместо простой намагниченности проявляются другие магнитные режимы. Подходящим материалом оказался никель-фосфор-трисульфид NiPS3. На нём исследователи впервые проследили на одном образце всю последовательность состояний, которую теория описывала десятилетиями.
Ключевыми стали два перехода, которые появляются при охлаждении до очень низких температур. Под переходом здесь понимают смену внутреннего порядка: выше определённого порога спины ведут себя одним образом, ниже порога перестраиваются. Оба перехода уже фиксировали и раньше, но по отдельности. В одних экспериментах удавалось увидеть только первый шаг, в других наблюдали лишь второй. Для NiPS3 исследователи впервые зарегистрировали обе стадии подряд и в той последовательности, которую предсказывала модель.
Эксперимент проводили на монослоях NiPS3. При охлаждении примерно до диапазона от −150 до −130 °C образец входил в фазу Березинского–Костерлица–Таулеса, или BKT. Спин можно представить как маленькую стрелку, которая показывает направление локального магнетизма у каждого атома. В обычном ферромагните такие стрелки ориентированы почти одинаково. В BKT-состоянии общего выравнивания нет, зато появляются вихревые структуры: если мысленно обойти область вокруг их центра, направление спинов будет постепенно меняться и за полный круг повернётся на 360 градусов.
Для BKT важна одна особенность: вихри возникают парами. Каждый вихрь представляет собой область, где направления спинов плавно поворачиваются вокруг центра. В одной области поворот идёт по часовой стрелке, в другой – против. Вихри удерживаются рядом, потому что одиночный вихрь в двумерной системе требует слишком большой энергии. Материалу проще сохранить связанную пару, чем допустить существование отдельного дефекта. Поэтому BKT-переход отличается от привычного сценария, где магнит просто усиливается или ослабевает: решающим становится вопрос, остаются ли вихри связанными попарно или начинают расходиться.
Физики из Университета Техаса в Остине экспериментально проверили идею, появившуюся ещё в 1970-х годах, о том, как должен вести себя магнетизм в предельно тонких материалах. В массивном железе или никеле магнитные моменты атомов обычно выстраиваются согласованно, поэтому вещество становится магнитом. В слое толщиной в один атом такой порядок держится хуже: тепловые колебания легче его разрушают, а вместо простой намагниченности проявляются другие магнитные режимы. Подходящим материалом оказался никель-фосфор-трисульфид NiPS3. На нём исследователи впервые проследили на одном образце всю последовательность состояний, которую теория описывала десятилетиями.
Ключевыми стали два перехода, которые появляются при охлаждении до очень низких температур. Под переходом здесь понимают смену внутреннего порядка: выше определённого порога спины ведут себя одним образом, ниже порога перестраиваются. Оба перехода уже фиксировали и раньше, но по отдельности. В одних экспериментах удавалось увидеть только первый шаг, в других наблюдали лишь второй. Для NiPS3 исследователи впервые зарегистрировали обе стадии подряд и в той последовательности, которую предсказывала модель.
Эксперимент проводили на монослоях NiPS3. При охлаждении примерно до диапазона от −150 до −130 °C образец входил в фазу Березинского–Костерлица–Таулеса, или BKT. Спин можно представить как маленькую стрелку, которая показывает направление локального магнетизма у каждого атома. В обычном ферромагните такие стрелки ориентированы почти одинаково. В BKT-состоянии общего выравнивания нет, зато появляются вихревые структуры: если мысленно обойти область вокруг их центра, направление спинов будет постепенно меняться и за полный круг повернётся на 360 градусов.
Для BKT важна одна особенность: вихри возникают парами. Каждый вихрь представляет собой область, где направления спинов плавно поворачиваются вокруг центра. В одной области поворот идёт по часовой стрелке, в другой – против. Вихри удерживаются рядом, потому что одиночный вихрь в двумерной системе требует слишком большой энергии. Материалу проще сохранить связанную пару, чем допустить существование отдельного дефекта. Поэтому BKT-переход отличается от привычного сценария, где магнит просто усиливается или ослабевает: решающим становится вопрос, остаются ли вихри связанными попарно или начинают расходиться.