Охлаждая магнитный материал толщиной в один атом, физики экспериментально подтвердили классическую модель двумерного магнетизма, предложенную в 1970-х годах.

При утончении материалов от объемных кристаллов до слоев толщиной всего в один атом происходят удивительные вещи. В исследовании, опубликованном в Nature Materials, физики из Техасского университета в Остине сообщили, что наблюдали ряд необычных магнитных состояний в ультратонком материале.

Их эксперименты стали первой полноценной демонстрацией теоретической модели двумерного магнетизма, предложенной в 1970-х годах. По мнению ученых, полученные результаты могут помочь в разработке будущих сверхкомпактных технологий.

Новое наблюдаемое явление связано с двумя основными магнитными переходами, которые происходят при охлаждении некоторых материалов до абсолютного нуля. Хотя ранее ученые наблюдали каждый из этих переходов по отдельности, впервые они были зафиксированы вместе в рамках полной предсказанной последовательности.

Чтобы провести эксперимент, исследователи охладили один слой трисульфида никеля и фосфора (NiPS3) до температуры от –150 до –130 °C. В этом диапазоне материал переходит в необычное магнитное состояние, известное как фаза Березинского — Костерлица — Таулесса (БКТ). В этой фазе крошечные магнитные направления, связанные с отдельными атомами, так называемые магнитные моменты, образуют вихревые конфигурации, называемые вихрями. Эти вихри образуются парами и вращаются в противоположных направлениях: один по часовой стрелке, другой — против. При этом парные структуры остаются тесно связанными, а не разделяются.

Березинский–Костерлиц–Фаза без Таулса

Фаза BKT названа в честь физика Вадима Березинского и Дж. Майкла Костерлица и Дэвида Таулесса, которые получили Нобелевскую премию по физике за 2016 год за разработку теории, описывающей этот тип перехода.

«Фаза БКШ особенно интересна тем, что, согласно прогнозам, эти вихри будут исключительно устойчивыми и будут занимать площадь всего в несколько нанометров, а их толщина будет составлять всего один атомный слой, — говорит Эдоардо Бальдини, доцент кафедры физики Техасского университета и руководитель исследования. — Благодаря своей стабильности и чрезвычайно малому размеру эти вихри открывают новые возможности для управления магнетизмом на наноуровне и позволяют лучше понять универсальную топологическую физику двумерных систем».

Завершение работы над моделью «Часы с шестью состояниями»

При дальнейшем охлаждении материала он переходил в другое магнитное состояние, известное как упорядоченная фаза «Часы с шестью состояниями». В этой конфигурации магнитные моменты выстраиваются в одном из шести направлений, связанных с симметрией. Наблюдение за фазой БКШ и этой упорядоченной фазой при более низкой температуре подтверждает полный набор переходов, предсказанных двумерной моделью «Часы с шестью состояниями» — влиятельной теоретической концепцией, предложенной в 1970-х годах.

«На данном этапе наша работа демонстрирует полную последовательность фаз, ожидаемых для двумерной модели часов с шестью состояниями, и устанавливает условия, при которых в чисто двумерном магните естественным образом возникают наноразмерные магнитные вихри», — сказал Бальдини.

На пути к применению при более высоких температурах

Следующая цель команды — определить, как изменить свойства материала, чтобы аналогичные магнитные фазы оставались стабильными при все более высоких температурах, вплоть до комнатной. Это сделает подобные эффекты гораздо более практичными для применения в реальных условиях. Первое экспериментальное подтверждение закладывает основу для дальнейших исследований.

Результаты также свидетельствуют о том, что трисульфид никеля и фосфора не уникален. В других двумерных магнитных материалах могут существовать родственные, но пока не открытые фазы. Эта возможность открывает новые перспективы как для фундаментальных исследований, так и для разработки будущих наноразмерных устройств, основанных на точно контролируемом магнетизме.