Материал, который в обычном состоянии почти не проявляет магнетизма, резко меняет поведение, если оставить от него всего несколько атомных слоёв. Физики из Университета Райса, Миннесотского университета и Института Пауля Шеррера обнаружили в сверхтонких плёнках диоксида рутения признаки скрытого магнитного состояния. Разработка может открыть путь к более компактной и энергоэффективной памяти.
Исследование опубликовано в журнале Science Advances. Учёные изучали диоксид рутения RuO₂, который давно считали одним из возможных альтермагнетиков. Такие материалы сочетают свойства двух привычных типов магнитов и могут управлять спином электронов без сильных внешних магнитных полей.
В ферромагнетиках электронные спины направлены в одну сторону, поэтому материал создаёт заметное магнитное поле. В антиферромагнетиках соседние спины смотрят в противоположные стороны и взаимно компенсируются. Альтермагнетики тоже почти не обладают общей намагниченностью, но электронные состояния с разными спинами разделяются в зависимости от направления движения электронов и симметрии кристалла.
Ранее эксперименты с объёмными кристаллами RuO₂ не давали убедительных свидетельств магнетизма. Результаты вызвали продолжительный спор о том, относится ли диоксид рутения к альтермагнетикам. Новая работа показывает, что ответ зависит не только от химического состава, но и от толщины материала, формы кристаллической решётки и условий выращивания.
Исследователи изготовили плёнки RuO₂ толщиной всего в несколько атомных слоёв. Плёнки выращивали на подложке с немного другим расстоянием между атомами. Подложка растягивала или сжимала кристаллическую решётку диоксида рутения, меняла расположение атомов и перестраивала электронные состояния.
Даже небольшая деформация оказалась способна изменить магнитные свойства материала. Для измерений физики применили фотоэлектронную спектроскопию с разрешением по спину. Учёные направляли свет на образец, выбивали из него электроны и измеряли их энергию, импульс и ориентацию спина.
Полученные карты показали зеркально-чётные и зеркально-нечётные спиновые структуры. Такие узоры меняются определённым образом при отражении относительно плоскостей симметрии кристалла. В сочетании с расчётами результаты указывают не на обычный ферромагнетизм, а на более сложное магнитное состояние, связанное с симметрией решётки и движением электронов.
По словам одного из руководителей работы Мин И, именно сверхмалая толщина может превращать диоксид рутения в магнитный материал. В объёмном кристалле исследователи не увидели аналогичных признаков альтермагнетизма без деформации решётки.
Авторы считают, что инженеры смогут управлять свойствами RuO₂ с помощью толщины плёнки, выбора подложки или механического давления. Такой подход позволит переключать материал между разными электронными и магнитными состояниями.
Альтермагнетики интересуют разработчиков спинтроники и магнитной памяти. Современные микросхемы часто используют ферромагнетики, чьи паразитные поля начинают мешать соседним элементам при уменьшении размеров устройств. Альтермагнетики почти не создают внешнего магнитного поля, но сохраняют спин-зависимые свойства, нужные для записи и считывания информации.
Исследователи пока не создали на основе RuO₂ рабочую память. Эксперимент лишь показал, что несколько атомных слоёв и небольшая деформация способны раскрыть магнитное состояние, которое исчезает в объёмном материале. Работа даёт физикам новый способ управлять квантовыми материалами на уровне отдельных атомных слоёв.