Муаровый магнитный порядок нашли в скрученном трииодиде хрома

Физики обнаружили, что в скрученном под малыми углами трииодиде хрома могут одновременно существовать как ферромагнитные, так и антиферромагнитные домены. Более того, в случае двойного трислоя эти домены демонстрируют слегка искаженный муаровый порядок, который предсказывает теория. Исследование опубликовано в Science.

Свойства кристаллов во многом объясняются тем, как именно расположены атомы в решетке. Меняя их структуру, физики научились управлять ими в широком диапазоне, доходя порой до создания новых состояний вещества. В качестве примера можно привести муаровые сверхрешетки, которые можно получить, укладывая друг на друга два кристаллических слоя с различными периодами, либо под углом друг к другу. Такой подход позволил обнаружить ряд корреляционных и топологических явлений в графене и дихалькогенидах переходных металлов.

Если электрические свойства муаровых сверхрешеток показали большую гибкость, то при управлении и исследовании их магнитных свойств возник ряд трудностей. Во-первых, материалы, которые демонстрируют магнетизм в монослойном виде, в большинстве случаев требуют вакуума либо инертной атмосферы. Во-вторых, энергетический баланс ограничивает возможные магнитные сверхрешетки только большими доменами, что эквивалентно режиму малого угла между слоями. Это, в свою очередь, может приводить к перестройке решеток отдельных слоев и, как следствие, к разупорядочиванию сверхрешетки. Наконец, для исследования магнитных структур в таких средах необходим сканирующий зонд с высоким пространственным разрешением, достаточной магнитной чувствительностью и низким обратным действием зонда на образец.

Тяньчэн Сун (Tiancheng Song) из Вашингтонского университета с коллегами из Германии, США и Японии смогли преодолеть указанные трудности и увидеть магнитный муаровый порядок в скрученном трииодиде хрома. Выбирая очень малые углы скручивания (десятые доли градуса), физики добивались одновременного существования в образце как ферромагнитных, так и антиферромагнитных доменов. Это оказалось возможным благодаря возникновению муарового узора из чередующихся моноклинных и ромбоэдрических укладок бислоя, ходя одиночный слой трииодида хрома демонстрирует только антиферромагнетизм.

В качестве зонда авторы использовали небольшой кусочек алмаза с азотно-замещенной вакансией (NV-центром). Попадая в магнитное поле этот дефект испытывает зеемановское расщепление уровней, которое легко считывается методом магнитного резонанса. В комбинации со сканирующей зондовой техникой это позволяет получить пространственное разрешение в 50 нанометров. Этого оказывается достаточно, чтобы разрешить магнитно-доменную структуру скрученного под малыми углами трииодида хрома, обладающую периодом порядка 80 нанометров.

Физики начали с исследования бислоя, скученного под углом 0,2 градуса. Построенные карты магнитного поля и соответствующей ему намагниченности подтвердили наличие в образце магнитных доменов обоих типов, устойчивых к изменению магнитного поля. Однако, вопреки теоретическим предсказаниям, домены располагались в хаотичном порядке. Авторы объяснили это рядом причин, главной из которых была мягкость и хрупкость трииодида хрома по сравнению с графеном и дихалькогенидами переходных металлов.

Чтобы повысить жесткость образца, физики попробовали повторить эксперимент с большим числом слоев. Укладывая друг на друга два обычных бислоя под малыми углами, они получали только антиферромагнитный порядок. При укладке же двух трислоев по углом 0,3 градуса авторы не только смогли получить оба типа доменов, но и обнаружить в середине образца небольшой регион диаметром около микрометра, в котором угадывался порядок, хоть и сильно искаженный. Исследователи убедились в этом, построив автокорреляционную функцию, а также смоделировав карту намагниченности для идеальной сверхрешетки. Результаты показали качественное согласие друг с другом.

Физики надеются, что применение спин-поляризованной туннельной микроскопии и туннельной спектроскопии позволит в будущем улучшить разрешение до 20 нанометров. Это даст возможность лучше изучить доменные границы и, возможно, поможет подтвердить существование предсказанных ранее экзотических магнитных эффектов, таких как муаровые скирмионы, неколлинеарные магнитные состояния и одномерные магнонные каналы.

NV-центры — это удивительные квантовые объекты, которые физики используют для самых различных нужд. Ранее мы рассказывали, как их превратили в гироскоп, радиоприемник и квантовый тепловой двигатель.

Марат Хамадеев