Ученые из США впервые экспериментально подтвердили существование квантового спин-жидкостного состояния — новой формы магнетизма, предсказанной теоретически почти 50 лет назад. Это смесь двух основных форм магнетизма: ферромагнетизма, знакомого нам по магнитикам на холодильнике, и антиферромагнетизма, при котором материалы обладают магнитными свойствами в микромасштабе. Новое открытие может привести к появлению инноваций в области квантовых компьютеров и сверхпроводников.
Физики давно заметили, что электроны атомов в обычных ферромагнетиках имеют одинаковую ориентацию собственного момента импульса, или спина. Это выравнивание спинов создает магнитное поле, которое придает материалу-ферромагнетику присущий ему магнетизм. Электроны, принадлежащие магнитным атомам в антиферромагнетиках, также имеют спин, хотя эти спины чередуются, причем электроны, вращающиеся вокруг соседних атомов, выстраивают свои спины антипараллельно друг другу. Находясь вместе, равные и противоположные спины компенсируют друг друга, и антиферромагнетик не проявляет макроскопической намагниченности.
Команда Массачусетского технологического института обнаружила новый p-волновой магнетизм в иодиде никеля (NiI2), двумерном кристаллическом материале, который они синтезировали в лаборатории. Электроны в нем, как и в ферромагнетиках, демонстрируют предпочтительную ориентацию спина. Но, как в антиферромагнетиках, равные популяции противоположных спинов приводят к взаимному погашению.
Однако, помимо этого, спины в атомах никеля демонстрируют уникальное поведение, образуя внутри материала хиральные спиральные конфигурации. Более того, исследователи обнаружили, что спиральная конфигурация спина позволяет им осуществлять «переключение спинов»: воздействуя небольшим электрическим полем в определенном направлении, можно легко превращать левую спираль спинов в правую и наоборот.
Возможность переключать электронные спины — основа спинтроники, потенциальной альтернативы традиционной электронике, пишет MIT News. При таком подходе данные могут быть записаны в форме спина электрона, а не его электронного заряда, что потенциально позволяет упаковывать на порядки больше данных на устройстве, используя при этом гораздо меньше энергии для записи и чтения этих данных.
«Мы показали, что этой новой формой магнетизма можно управлять электрически, — сказал Сун Цянь, научный сотрудник Лаборатории материаловедения. — Этот прорыв открывает путь новому классу сверхбыстрых, компактных, энергоэффективных и энергонезависимых устройств магнитной памяти».
