Дослідники зі Швейцарії експериментально виявили, що новий матеріал набуває магнітних властивостей за допомогою механізму, який раніше не спостерігався.
Магнетизм — властивість, яку мають одні матеріали і не мають інші. Цю властивість викликають рухи електронів усередині атомів матеріалу. В результаті створюється магнітне поле, яке може притягувати чи відштовхувати інші матеріали.
Найвідоміший вид магнетизму – так званий феромагнетизм. Він викликається спинами електронів (спин — від англійського «обертання», власний момент імпульсу електрона), які починають шикуватися в одному загальному напрямку. З ним люди стикаються, наприклад, коли вішають магнітики на дверцятах холодильника. Але є й інші види магнетизму. Серед них парамагнетизм — слабкіша версія феромагнетизму. Парамагнетизм виникає, коли спини електронів мають випадкові напрями, недостатньо впорядковані.
Фізики із Швейцарської вищої технічної школи Цюріха відкрили ще один вид магнетизму. Це сталося під час експериментів із муаровими матеріалами. Вчені отримали їх складання один на одного атомарно тонких шарів двох різних напівпровідникових матеріалів: диселеніду молібдену і дисульфіду вольфраму. Ці матеріали мають структуру двовимірної (плоскої) “решітки”, яку можна “наповнити” електронами, якщо подати електричну напругу.
«Муарові матеріали викликають великий інтерес останніми роками, оскільки за їх допомогою можна досліджувати квантові ефекти електронів, що сильно взаємодіють. Однак про магнітні властивості цих матеріалів було відомо дуже мало. Ми вирішили дослідити цю сферу», — пояснив Атача Імамоглу, керівник дослідницької групи.
Щоб з’ясувати, який вид магнетизму мають ці муарові матеріали, Імамоглу та його команда спочатку наповнили матеріал електронами. “Влили” в нього електрони, подавши електричний струм, поступово збільшуючи напругу. Потім фізики підсвітили матеріал лазером і виміряли, наскільки світло відбивається при різних поляризаціях. Поляризація вказувала, у якому напрямі коливається електромагнітне поле: чи спрямовані спини електронів у тому самому напрямі (що свідчить про феромагнетизм) чи випадкових напрямах (парамагнетизм).
Спочатку матеріал виявляв властивості парамагнетизму. Але в міру того, як команда «додавала» в ґрати більше електронів, він показував раптове і несподіване магнетичне зрушення. Починав поводитися як феромагнетик. Зрушення відбувалося саме в момент, коли вчені заповнювали муарову решітку більш ніж одним електроном на кожне «вакантне» місце у ґратах.
«Ми спостерігали новий вид магнетизму, який неможливо пояснити обмінною взаємодією. Якби причиною цього магнетизму була обмінна взаємодія, він би спостерігався і за меншої кількості електронів у ґратах», — розповів Імамоглу.
Фізики дали своє пояснення ефекту, що виник. Вони припустили, що коли в вузли гратів потрапляє більше одного електрона, вони об’єднуються в частинки, які називаються «дублонами», які зрештою заповнюють решітку за допомогою квантового тунелювання. Однак при цьому електрони «зменшують» свою кінетичну енергію, «вирівнюючи» свої спини, що й створює феромагнетизм. Цей «кінетичний магнетизм» пророкували теоретики протягом десятиліть, але раніше він ще жодного разу не спостерігався у твердих матеріалах.
Швейцарські дослідники планують уважніше вивчити це явище, зокрема з’ясувати, чи зберігаються феромагнетичні властивості матеріалу за вищих температур. В експерименті вченим довелося охолодити матеріал до десятої частки градуса вище абсолютного нуля.
Докладніше з результатами роботи вчених можна ознайомитись у статті, опублікованій у журналі Nature.
