Скрученный бислой стал ферромагнетиком под действием лазера

Физикам удалось превратить скрученный бислой из дихалькогенидов переходных металлов в ферромагнетик, облучая его лазерным светом. Теория показала, что эффект может быть объяснен с помощью блуждающих экситонов, которые выступают посредниками между спинами, локализованными в ячейках муаровой решетки. Исследование опубликовано в Nature.

Постоянный магнит — это замечательный пример того, как квантовая фаза, в которой находится вещество, явно проявляет себя на макроскопическом масштабе. Ферромагнетизм обязан своим существованием коллективному взаимодействию отдельных атомных магнитных моментов. И хотя мы понимаем, как создается магнитный порядок в обычном куске железа, мы не может его детально контролировать и изучать, поскольку доступ к отдельным атомам в таком случае затруднен, а их огромное количество делает любые такие манипуляции неэффективными.

Новой парадигмой в исследовании магнитного порядка стали искусственные материалы, в которых можно симулировать ферро- и антиферромагнетизм, либо воспроизводить его в хорошо контролируемых условиях с помощью квазиатомов или квазирешеток. К последнему типу относятся исследования в слоистых материалах, скрученных относительно друг друга на небольшие углы. В этом случае в материале создается дополнительная периодичность, называемая муаровой сверхрешеткой. Мы уже рассказывали, как физики находили ферромагнетизм, скручивая четное и нечетное число антиферромагнитных слоев иодида хрома.

Другим перспективным классом материалов стали дихалькогениды переходных металлов. Например, внедрение примесей в двуслойный дисульфид тантала превратило его из парамагнетика в ферромагнетик. А совсем недавно физики смогли увидеть хрупкое упорядоченное состояние электронной плотности — вигнеровский кристалл, — скрутив слой дисульфида вольфрама относительно диселенида вольфрама. Сейчас ученые активно пытаются обогатить свой инструментарий для управления свойствами носителей заряда в муаровых сверхрешетках, включив туда, например, оптические методы.

Физики из Гонконга, США и Японии под руководством Яо Ваня (Wang Yao) из Вашингтонского университета и Сяодуна Сюй (Xiaodong Xu) из Гонконгского университета исследовали то, как оптическое возбуждение может влиять на спин-спиновые взаимодействия между носителями заряда, локализованными в ячейках муаровой сверхрешетки. Таким способом они смогли получить ферромагнитный порядок в скрученном бислое дисульфида и диселенида вольфрама.

Для этого физики создавали гетероструктуру, которая помимо дихалькогенидного скрученного бислоя состояла из дополнительных слоев нитрида бора и графена, а также дополнительных электродов, подсоединенных к слоям. Муаровая сверхрешетка, образованная в бислое, имела период равный 7,5 нанометра. Управляя напряжениями на электродах, авторы могли заполнять ее ячейки дырками либо электронами в нужной концентрации.

Затем физики облучали образец лазерными импульсами переменной круговой поляризации. Это, с одной стороны, резонансно возбуждало в селениде вольфрама экситоны, которые практически сразу становились межслоевыми, а с другой — помогало измерить магнитный круговой дихроизм по интенсивности отражения света от образца. Разница в отражении света с разной поляризацией несет информацию о намагниченности поверхности.

Авторы изучали то, как зависит этот разностный сигнал от степени заполнения ячеек муаровой сверхрешетки и от приложенного магнитного поля. Они обнаружили, что для случаев одной дырки на три и на семь ячеек намагниченность образца менялась неодинаково в зависимости от того, в каком направлении — уменьшения или увеличения — менялось магнитное поле. Другими словами, исследователи наблюдали гистерезис, характерных для ферромагнитных материалов.

Физики подробно исследовали, как зависят свойства этих петель от прочих условий эксперимента: концентрации дырок, температуры и мощности лазера. Они выяснили, что гистерезис появляется только начиная с некоторого порога накачки, а его ширина насыщается с ее ростом. Кроме того, они определили соответствующие температуры Кюри, при которых образец способен удерживать намагниченность, которые также зависели от условий эксперимента.

Авторы предположили, что наблюдаемые закономерности могли бы быть объяснены с помощью блуждающих экситонов, которых тем больше, чем интенсивнее лазерный свет. Как показали их оценки, такие экситоны могли бы стать посредниками между спинами пойманных в муаровых ячейках дырок, обеспечивая сильное дальнодействующее взаимодействие, без которого невозможно образование ферромагнитной фазы. К сожалению, моделирование самой петли гистерезиса затруднено из-за того, что для этого необходимо решить неравновесную задачу многих тел.

С каждым годом у физиков растет понимание того, что представляют собой муаровые экситоны. Недавно ученые смогли измерить пространственное распределение электрона и дырки у такой квазичастицы.

Марат Хамадеев