Учёные обнаружили альтермагнетизм в слоистом материале Co₁/₄TaSe₂

Исследователи ищут способы создать электронику, которая будет использовать не только электрический заряд электронов, но и их спин — внутреннее квантовое свойство. Вместо традиционной обработки данных через движение заряда, использование спина может кардинально изменить, как информация передаётся по цепи.

Что такое альтермагнетизм

Альтермагнетизм — это форма магнетизма, которая сочетает полезные характеристики двух более известных типов: ферромагнетизма и антиферромагнетизма. Ферромагнетизм создаёт поведение, знакомое по обычным магнитам: магнитные моменты выравниваются в одном направлении, создавая магнитное поле. Однако это приводит к появлению паразитных магнитных полей, которые могут помешать соседним компонентам.

Антиферромагнетики работают иначе: их магнитные моменты направлены в противоположные стороны и взаимно компенсируют друг друга, избегая паразитных полей. Но они не обладают некоторыми полезными электронными свойствами ферромагнетиков.

Альтермагнетики предлагают третий вариант: они избегают создания нежелательных паразитных полей, но при этом могут генерировать и детектировать спиновые токи — движение спинов электронов через материал.

Как проводилось исследование

Команда Неупане экспериментально выявила признаки альтермагнетизма в материале Co₁/₄TaSe₂ — слоистом веществе, содержащем магнитные атомы кобальта. Для определения наличия альтермагнетизма исследователи использовали метод углоразрешённой фотоэмиссионной спектроскопии (ARPES), который позволяет измерить энергию и движение электронов и отобразить электронную структуру материала.

Сначала команда обнаружила характерное расщепление в электронных полосах материала. Затем, используя спин-разрешённую ARPES, исследователи нашли, что эти расщеплённые состояния имели противоположные спиновые поляризации — ключевое свидетельство альтермагнетизма. Измерения проводились на Advanced Light Source в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и на Stanford Synchrotron Radiation Lightsource.

Почему это важно

По словам Неупане, «эти материалы отличаются от обычных антиферромагнетиков своей способностью генерировать и детектировать спиновые токи без негативного эффекта создания паразитных полей. Это новое свойство делает их хорошо позиционированными для использования во многих различных приложениях — включая спинтронику, ультрабыстрые устройства памяти, терагерцевые сети и энергоэффективную электронику».

Преимущества слоистой структуры

Co₁/₄TaSe₂ относится к семейству переходных металл-дихалькогенидов (TMD) — слоистых материалов, построенных из чрезвычайно тонких слоёв, сложенных друг на друга. Поскольку эти слои слабо связаны между собой, учёные могут разделять и комбинировать их в чрезвычайно тонкие структуры, что делает такие материалы перспективными для тонкоплёночных устройств и других развивающихся технологий.

Магнитные атомы кобальта, вставленные между слоями, помогают создавать необычные магнитные свойства материала. Его слоистая структура также делает материал высоко настраиваемым, позволяя исследователям модифицировать его и изучать, как эти изменения влияют на его электронное и магнитное поведение.

Дальнейшие перспективы

Исследование показало, что релевантное электронное состояние возникает в основном внутри самого материала и демонстрирует чёткие признаки альтермагнитного порядка. Мило Спраг, ведущий аспирант исследовательской группы, отметил: «Доказательство альтермагнетизма в универсальной материальной платформе открывает много новых возможностей. Сейчас в теории альтермагнетизма ведётся большой спор о том, как спин-поляризованные электронные состояния взаимодействуют с другими магнитными явлениями. Теперь у нас есть материал, который мы можем легко модифицировать, чтобы исследовать эти новые вопросы».

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications. Это данные исследования, а не медицинский или технический совет.