Физики обнаружили давно предсказанный «магнетизм часов» в атомарно тонком кристалле

При послойном разрушении материалов, от толстых кусков до тончайших листов толщиной всего в один атом, с ними происходят странные вещи. В статье, опубликованной в журнале Nature Materials , группа физиков из Техасского университета в Остине экспериментально продемонстрировала последовательность экзотических магнитных фаз в сверхтонком материале, которая впервые полностью реализует теоретическую модель двумерного магнетизма, впервые предложенную в 1970-х годах. Исследователи говорят, что это достижение может вдохновить на создание новых сверхкомпактных технологий.

Последовательность экзотических магнитных фаз включает два ключевых перехода, которые происходят при охлаждении некоторых материалов до абсолютного нуля. Оба перехода ранее наблюдались экспериментально по отдельности, но никогда не вместе в полной последовательности.

Когда исследователи охладили атомарно тонкий лист трисульфида никеля-фосфора (NiPS₃ ) до температур от -150 до -130 °C, материал перешел в первую особую магнитную фазу, называемую фазой Березинского-Костерлица-Тулесса (БКТ). В этом режиме магнитные ориентации, связанные с отдельными атомами в материале — известные как магнитные моменты — образуют вихревые структуры, называемые завихрениями. Пары этих вихрей закручиваются в противоположных направлениях, один по часовой стрелке, а другой против часовой стрелки, и остаются прочно связанными друг с другом.

Фаза БКТ названа в честь Вадима Березинского и лауреатов Нобелевской премии Дж. Майкла Костерлица и Дэвида Таулесса, которым в 2016 году была присуждена Нобелевская премия по физике за теоретическое описание этого типа фазового перехода.

« Фаза БКТ особенно интригует, поскольку, согласно прогнозам, эти вихри исключительно устойчивы и ограничены всего несколькими нанометрами в поперечном направлении, занимая при этом всего один атомный слой по толщине», — сказал Эдоардо Балдини, доцент кафедры физики Техасского университета и руководитель исследования. «Благодаря своей стабильности и чрезвычайно малому размеру эти вихри открывают новый путь к управлению магнетизмом в наномасштабе и позволяют получить представление об универсальной топологической физике в двумерных системах».

При дальнейшем охлаждении материал переходил во вторую, отличную от остальных, магнитную фазу, называемую шестисостоятельной упорядоченной фазой, в которой магнитные моменты принимают одну из шести симметрично связанных ориентаций. Наблюдение как режима БКТ, так и низкотемпературного упорядоченного состояния подтверждает экспериментальную реализацию двумерной шестисостоятельной модели часов — парадигматической теоретической модели, предложенной в 1970-х годах.

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

Дальнейшие исследования фазы BKT будут направлены на поиск оптимального сочетания свойств материала для стабилизации аналогичных магнитных фаз при всё более высоких температурах, возможно, даже вплоть до комнатной температуры. Это первоначальное наблюдение закладывает важную основу для этих усилий.

Помимо NiPS3, полученные результаты указывают на то, что широкий класс двумерных магнитных материалов может содержать ранее неисследованные фазы, открывая новые направления как для фундаментальной физики, так и для концепций наноразмерных устройств.

Её конек схемы в бизнесе, банковской и финансовой сфере.