Явление магнетизма широко используется в электронике и запоминающих устройствах. Оба направления привлекают внимание большого круга учёных своей высочайшей практической ценностью. Очевидно, что границы возможностей и применяемых материалов постоянно нуждаются в расширении. Прорыв смогли совершить японские учёные, обнаружив уникальные магнитные свойства у материалов, которые, как считалось, не должны были их проявлять.

Поиск взаимодействия между антиферромагнетизмом, зонной топологией и сильными электронными взаимодействиями. Источник изображения: Ray et al 2025

Магнитные материалы в лице ферромагнетиков с упорядоченными спинами электронов способны демонстрировать аномальный эффект Холла. Обычный эффект Холла возникает во внешнем магнитном поле при пропускании тока через магнитный образец. В случае аномального эффекта Холла поле в образце (разность потенциалов на его концах или напряжение) возникает в магнитном материале даже без внешнего магнитного поля.

Подобного явления никто не ожидал в случае антиферромагнетиков. Спины в таких материалах неупорядочены и компенсируют друг друга при противоположной ориентации. Однако даже в антиферромагнетиках были обнаружены признаки аномального эффекта Холла. Это означает, что в качестве магнитной памяти может использоваться новый класс материалов со своими уникальными свойствами, что потенциально обещает улучшение характеристик запоминающих устройств. Теперь необходимо тщательно разобраться в этом явлении и подвести фундаментальную научную базу — именно этим и занялись учёные из Японии.

«Ранее уже сообщалось об аномальном эффекте Холла, возникающем в определённом классе коллинеарных антиферромагнетиков, — говорят исследователи. — Однако наблюдаемые сигналы были чрезвычайно слабыми. Выявление аномального эффекта Холла без намагниченности представляло большой научный и технологический интерес».

«Одной из главных задач нашего исследовательского проекта было создание последовательной научной картины на основе наших наблюдений, — заявляют авторы новой работы. — Каждый шаг требовал тщательной интерпретации, особенно из-за структурных нарушений, характерных для систем дихалькогенидов переходных металлов (TMD)».

Учёные использовали семейство материалов под названием дихалькогениды переходных металлов в качестве двумерных строительных блоков. Вставляя магнитные ионы между атомными слоями, исследователи могли управлять движением и взаимодействием электронов. Модифицированная до трёхмерного состояния структура продемонстрировала новое поведение, невозможное в двумерной форме. Только после этого исследователям удалось измерить аномальный эффект Холла в широком диапазоне температур и магнитных полей.

Кроме того, учёные из США предоставили доказательства в виде микроскопических изображений образцов, подтверждающих коллинеарную антиферромагнитную структуру материала. Затем результаты были сопоставлены с теоретическим анализом и расчётами, выполненными группой учёных из Токийского университета.

Полученные результаты стали первым убедительным экспериментальным доказательством аномального эффекта Холла, наблюдаемого в коллинеарных антиферромагнетиках. Поскольку традиционно считается, что аномальный эффект Холла связан с намагниченностью, его обнаружение в подобных материалах указывает на явления, выходящие за рамки стандартного понимания. Исследователи предполагают, что это связано с уникальной структурой электронных зон материала, которая вызывает появление так называемого «виртуального магнитного поля» и усиливает аномальный эффект Холла в отсутствие намагниченности. Работа будет продолжена, поскольку полного понимания физики этого процесса пока не достигнуто.

Теоретически предсказанное явление альтермагнетизма (altermagnetism) впервые получило подтверждение в научном эксперименте. Международная группа учёных наблюдала магнитный вихрь в материале, который никогда не проявлял магнитных свойств. Таких материалов может быть сотни, и это — возможность тысячекратно уплотнить магнитную запись данных и совершить новый прорыв в вычислениях.

Источник изображения: Oliver Amin/University of Nottingham

Альтермагнетики сочетают в себе — в едином материале — полезные свойства ферромагнетиков и антиферромагнетиков. Они потенциально могут привести к тысячекратному увеличению быстродействия микроэлектронных компонентов и цифровой памяти, будучи при этом более надёжными и энергоэффективными. Это третий класс магнетизма, который до этого года существовал лишь в моделях.

Старший научный сотрудник Оливер Амин (Oliver Amin), возглавлявший эксперимент и являющийся соавтором исследования, сказал: «Наша экспериментальная работа обеспечила связь между теоретическими концепциями и реализацией в реальной жизни, что, как мы надеемся, откроет путь к разработке альтернативных магнитных материалов для практического применения».

Магнитные свойства материала зависят от ориентации спина его электронов. В ферромагнитных материалах, таких как железо, которые обладают сильной реакцией на магнитные поля, спины всех электроны выровнены в одном направлении. В антиферромагнетике, в случае другого типа магнетизма, спины соседних электронов направлены в противоположных направлениях и, следовательно, нейтрализуют друг друга, поэтому материал в целом не реагирует на внешнее поле. В случае нового типа магнетизма спины электронов на соседних позициях также разнонаправлены, но эти направления постоянно и симметрично поворачиваются.

Новое экспериментальное исследование было проведено на международной установке MAX IV в Швеции. Это ускоритель электронов или синхротрон, который генерирует рентгеновские лучи. Рентгеновские лучи направляются на магнитный материал, и электроны, испускаемые поверхностью образца, регистрируются с помощью специального микроскопа. Это позволяет получить изображение магнетизма в материале с разрешением вплоть до наноразмерных. В образце теллурида марганца — на его поверхности — учёные обнаружили циркулирующие магнитных вихри, которые укладываются в теоретические предсказания по альтермагнетизму.

Теллурид марганца, вероятно, не подойдёт для промышленного применения явления, хотя другой немагнитный полупроводник — антимонид хрома — вполне может им стать. Физики предсказывают, что более 100 соединений будут проявлять немагнитное поведение. За последний год опубликовано около 200 работ по альтермагнетизму, что говорит об интересе и нужде в новой и более плотной технологии записи данных. С такой активностью учёных нельзя исключать, что уже через 10 лет альтермагнетизм заявит о себе в виде коммерческого продукта. А вдруг?

В 1980-х годах геофизики, анализировавшие образцы лунного грунта, доставленные на Землю миссиями «Аполлон», были удивлены их сильным магнитным полем. Считалось, что Луна не настолько велика, чтобы создать такое магнитное поле, особенно на протяжении 1,5 млрд лет. Новое открытие опровергает одно из двух главных возражений против теории, что Луна обладала собственным магнитным полем.

Источник изображений: Harry Gregory / news.stanford.edu

Ранее эта загадка заставила некоторых учёных предположить существование иных причин магнетизма лунных образцов, включая возможное влияние космических кораблей, доставивших их на Землю. Напомним, что в период с 1969 по 1972 год шесть космических аппаратов «Аполлон» доставили с поверхности Луны 382 кг лунных камней, образцов грунта, гальки, песка и пыли. В итоге было получено 2 200 отдельных образцов из шести различных мест на Луне.

Однако теперь новое исследование показало, что магнетизм лунных образцов на самом деле имеет природное происхождение и что космические полёты не оказывают значительного влияния на силу магнитного поля. «Вы хотите быть уверенными, что космический корабль, доставивший ваш образец, не магнетизирует его», — сообщила Соня Тико (Sonia Tikoo), доцент по геофизике в Stanford Doerr School of Sustainability и ведущий автор нового исследования.

Аспирант Джи Ин Чон (слева) и доцент Соня Тико изучают коллекцию лунных образцов

Для подтверждения своих выводов Тико и её соавтор исследования Джи Ин Чон (Ji-In Jung) подвергли магнитному воздействию 8 образцов лунных камней из четырёх миссий «Аполлон», создав магнитные поля с силой, эквивалентной той, что существует на борту космического корабля. В течение 2 дней, имитируя возвращение с Луны, образцы были специально подвергнуты магнитному полю с силой 5 миллитесла, что примерно в 100 раз сильнее магнитного поля Земли.

«Мы провели моделирование долгосрочного воздействия на образец более сильного магнитного поля, чем магнитное поле Земли, условий, характерных для космического корабля, и выяснили, что практически для всех образцов, включая те, которые мы ранее изучали в контексте данных о лунном магнитном поле, мы смогли легко устранить это „загрязнение“», — добавила Тико.

Тико и Чон демонстрируют размер лунного камня на кварцевом диске

Позже исследователи наблюдали, как магнитное «загрязнение» уменьшалось, и обнаружили, что его можно легко устранить с помощью обычных методов. «Этот эксперимент доказывает, что мы можем проводить палеомагнитные исследования с образцами, привезёнными космическими миссиями. Я думаю, никто не сомневается в возможности проведения палеомагнитных исследований Земли, и я рада, что теперь мы можем делать это и для космоса», — подчеркнула Тико.

Магнетизированные образцы могут помочь раскрыть историю планетарных магнитных полей, необходимых для защиты атмосферы. Поэтому важно удостовериться, что привезённые на Землю образцы не были повреждены воздействием космического корабля. Это необходимо для планирования будущих миссий NASA по доставке на Землю образцов марсианского грунта.