Третий класс магнетизма — альтермагнетизм: эксперимент открыл путь к сверхбыстрой цифровой памяти
Группа исследователей из Ноттингемского университета экспериментально подтвердила существование альтермагнетизма — третьего типа магнитного порядка, который десятилетиями оставался лишь теоретической моделью. Используя рентгеновскую спектроскопию на синхротроне, учёные впервые визуализировали необычную спиновую структуру материала и доказали, что она поддаётся управлению. Это открытие способно кардинально ускорить развитие спинтроники и предложить альтернативу традиционной полупроводниковой электронике.
Новый класс магнетиков: не ферро и не антиферро
Долгое время физика твёрдого тела оперировала двумя базовыми типами магнетизма. В ферромагнетиках магнитные моменты атомов выстроены в одном направлении, что даёт привычное намагничивание. В антиферромагнетиках моменты соседних атомов направлены строго противоположно, полностью компенсируя друг друга, — макроскопической намагниченности нет, что делает такие материалы невидимыми для обычных магнитов, но перспективными для высокочастотной электроники.
Альтермагнетики занимают промежуточное положение. Как и в антиферромагнетиках, их атомные спины антипараллельны. Однако из-за особой геометрии кристаллической решётки (с поворотом между узлами) эта компенсация не является полной на электронном уровне. В результате материал не обладает внешним магнитным полем, но демонстрирует спин-зависимые свойства, характерные для ферромагнетиков. Именно эта двойственность и открывает новые технологические горизонты.
Три ключевых преимущества для электроники будущего
Скорость. Переключение магнитного состояния в альтермагнетиках может происходить в тысячи раз быстрее, чем в современных ферромагнитных материалах. Это означает потенциальное увеличение тактовой частоты процессоров и памяти на несколько порядков.
Энергоэффективность. Отсутствие рассеивания тепла на макроскопическом уровне и низкие токи перемагничивания делают такие устройства значительно экономичнее. Это критически важно для мобильной техники и центров обработки данных.
Экологичность. В отличие от многих современных магнитных материалов, альтермагнетики могут быть синтезированы из распространённых и нетоксичных элементов, что снижает зависимость от редкоземельных металлов.
Эксперимент, изменивший теорию
Экспериментальная группа из Ноттингема использовала фотоэмиссионный электронный микроскоп (PEEM) на синхротроне. Пучок рентгеновского излучения, сфокусированный на образце теллурида марганца (MnTe), позволил получить изображение магнитных доменов с нанометровым разрешением. Учёные не только увидели характерную для альтермагнетиков текстуру спинов, но и смогли манипулировать ею, прикладывая внешнее магнитное поле и изменяя температуру. Это стало первым прямым доказательством существования альтермагнитного порядка и его управляемости.
Ранее альтермагнетизм был предсказан теоретически, но считался крайне нестабильным состоянием. Демонстрация устойчивых вихревых структур (скирмионов) в плёнке MnTe подтвердила, что этот фазовый переход реален и воспроизводим.
Открытие альтермагнетизма — не просто фундаментальный курьёз. Оно закладывает основу для новой парадигмы в микроэлектронике, где бит информации будет кодироваться не зарядом, а направлением спина в материале без внешнего магнитного поля. Однако до коммерческого применения предстоит решить ряд задач: от синтеза стабильных плёнок до разработки методов считывания и записи данных. Тем не менее, это яркий пример того, как фундаментальная наука, казавшаяся оторванной от реальности, способна дать инженерный инструмент для прорыва в производительности вычислительной техники. В ближайшие годы нас ждёт лавина исследований, направленных на поиск и синтез новых альтермагнитных соединений.
