Физики создали невозможный плоский магнетик

Проекция кристаллической решетки материала

Cheng Gong et al. / Nature, 2017

Физики из Университета Калифорнии и Принстонского университетов обнаружили ферромагнетизм в двумерном кристалле — теллуриде хрома и германия. В ферромагнетиках спины электронов оказываются направлены в одном направлении, что проявляется, например, в том, что они (как железо) притягиваются к магнитам. Это очень необычный результат — с точки зрения классической теории, в одномерных и двумерных материалах упорядочение невозможно. По словам авторов, такие материалы делают возможной постройку двумерных спинтронных устройств. Исследование опубликовано в журнале Nature.

Спинтронные устройства фундаментально отличаются от привычной электроники. Если в последней биты информации записываются и передаются с помощью движения зарядов, то в спинтронике биты реализуются как спины электронов. Спины — это специальное квантовое свойство, его можно сравнить с вращением частицы, хотя эта аналогия будет грубой. Момент импульса электрона таков, что он бы потребовал движения точек на гипотетической поверхности частицы со сверхсветовой скоростью. Условно можно говорить о том, что спин может быть направлен вниз (вращение по часовой стрелке) или вверх (против часовой стрелки).

Для передачи сигналов в спинтронике предполагается использовать волны перемены спина, или спиновые волны. Их возникновение можно объяснить следующим образом. Если поместить рядом два электрона, то их спины будут взаимодействовать — например, они могут стремиться быть направлены в одну сторону. Возьмем цепочку из электронов с такими сонаправленными спинами и поменяем направление одного из них (это можно сделать с помощью магнитного поля). Вслед за ним попытается поменять направление его сосед по цепочке, затем его сосед и так далее. Считается, что спинтронные устройства могут работать гораздо быстрее электронных, и, к тому же, потребляя гораздо меньше энергии.

Интерес авторов новой работы связан с двумерными спинтронными устройствами. Для того, чтобы обеспечить работу таких устройств, требуется создать двумерный материал, в котором спины электронов были бы упорядочены.

Примеров подобных трехмерных материалов — огромное количество. Более того, при достаточно низкой температуре спины электронов в любом веществе начинают упорядочиваться. Для одномерных и двумерных материалов (цепочек и плоскостей) ситуация оказывается совершенно иной. Существует теорема Мермина-Вагнера-Березинского — это достаточно известное утверждение, сводящееся к тому, что для разрушения магнитного упорядочения в 1D или 2D материалах достаточно даже малых флуктуаций. При отличной от абсолютного нуля температуре упорядочение становится невозможным.

Физики ищут различные подходы к тому, чтобы обойти этот запрет. Например, в ряде работ ученые пытаются создать магнитное упорядочение в графене путем целенаправленного встраивания дефектов. Другой подход — размещать двумерный материал над обыкновенным магнитным материалом, тогда на поведение электронов будет влиять близость упорядоченного магнетика. Но все они имеют определенные ограничения: упорядочение возникает в небольшой области, либо эффект близости оказывается слишком слаб.

Авторы нашли новый способ обойти этот запрет. Как рассказывает руководитель исследовательской группы, Цзин Ся, если посмотреть внимательно на математическое доказательство теоремы Мермина-Вагнера-Березинского, то можно заметить, что она не учитывает магнитную анизотропию материалов. Последняя показывает, что намагниченность и магнитные свойства материала могут изменяться в зависимости от направления, вдоль которого их оценивают. Поэтому физики взяли за основу двумерный материал, сама структура которого гарантировала разные магнитные свойства в различных направлениях.

За основу ученые взяли теллурид хрома германия — слоистое соединение с формулой Cr2Ge2Te6. Используя скотч, как и первооткрыватели графена, физики отделили от кристалла небольшие чешуйки, насчитывавшие всего 2-6 слоев в толщину. Как отмечают авторы, одноатомные слои были неустойчивы и быстро деградировали, поэтому поставить эксперимент с ними не удалось.

Ученые исследовали поведение чешуек в небольших магнитных полях — до 0,3 тесла. Авторы обнаружили переход из парамагнитного (неупорядоченного состояния) в ферромагнитное уже при температуре 40 кельвин (-233 градуса Цельсия).

По словам ученых, главную роль в упорядочении играет магнитная анизотропия. При индукции полей близкой к нулю она невелика, но если поместить чешуйки хотя бы в слабое магнитное поле, эффективная анизотропия резко увеличивается. Это сказывается на том, какими энергиями могу обладать спиновые волны в материале, возникает своеобразная запрещенная зона.

Впервые квазидвумерный материал с ферромагнитным упорядочением был обнаружен в 1995 году французскими физиками из Национального центра научных исследований. Им стал близкий аналог соединения, описанного в новой работе — Cr2Si2Te6. Хотя ученые изучали его магнитные свойства в толще материала, его можно рассматривать как почти двумерный объект из-за большого расстояния между слоями.

Владимир Королёв

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.