Оказывается, некоторые материалы становятся магнитными только когда их растянешь до предела

Слушайте, я сейчас расскажу вам кое-что, что звучит как полная чушь, но это реальная наука. Честное слово, у меня самой голова идёт кругом.

Представьте себе такой материал — оксид рутения. В своём обычном, «объёмном» состоянии он немагнитный. Вообще. Как кусок пластика. Ничего особенного.

А теперь следите за руками.

Стоит учёным сделать этот материал невероятно тонким — буквально несколько атомных слоёв — и слегка его «потянуть» на атомном уровне, происходит что-то невероятное. Он внезапно становится магнитным.

Причём не просто магнитным. Он демонстрирует так называемую альтермагнетизм — странную третью категорию магнетизма, которую учёные только недавно начали воспринимать всерьёз.

Что вообще такое альтермагнетизм?

Попробую объяснить без боли в голове.

Вы наверняка знаете, что магниты работают благодаря спинам электронов. Представьте каждый электрон как крошечную стрелку компаса, которая вращается. В обычных ферромагнитах (как на холодильнике) все эти стрелки смотрят в одну сторону — вот что создаёт магнитное поле.

Альтермагнетизм — это другое. Спины здесь не направлены одинаково. Они чередуются — примерно как шахматная доска, где «вверх» и «вниз» сменяют друг друга. Благодаря этому альтермагнетики обладают уникальными свойствами, очень полезными для технологий. Но долгое время никто даже не был уверен, что это явление существует.

И вот оксид рутения стал кандидатом на роль альтермагнитного материала. Подвох? Он проявляет эти свойства только в крошечном размере и под напряжением.

Прорыв, который ждали годами

Команда исследователей под руководством физика Мин И из Университета Райса проделала титаническую работу.

Сначала они вырастили оксид рутения в виде ультратонкой плёнки — всего несколько атомов толщиной. Это, поверьте, непросто. Потом им нужно было измерить «спиновую текстуру» — по сути, составить карту расположения всех электронных спинов.

Они использовали метод, который называется спин-разрешённая фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением. Звучит как что-то из «Звёздного пути», но вот ключевой результат: когда материал был достаточно тонким И находился под нужным атомным напряжением, электронные спины выстраивались в узоры, характерные для альтермагнетизма.

Без напряжения? Ничего подобного. Обычный немагнитный материал.

Почему вам вообще стоит об этом знать?

А вот тут начинается самое интересное для будущих технологий.

Исследователи поняли, что напряжение действует как «ручка настройки» для альтермагнетизма. Приложили давление к атомной структуре — получили магнитные свойства. Убрали давление — материал снова становится скучным и немагнитным.

Это огромная новость для спинтроники.

Сейчас ваш компьютер использует электрический заряд для хранения и обработки данных. Спинтроника предлагает ещё использовать спин электрона. Почему это важно? Потому что память на основе спина может быть быстрее, энергоэффективнее и компактнее.

Представьте себе память, которая не только меньше, но и сохраняет данные при отключении питания, работает молниеносно и потребляет меньше энергии. Мечта, одним словом.

Это не фокус — это реальная наука

Мне нравится эта история, потому что она показывает кое- что важное о квантовых материалах: они сложные, непредсказуемые и часто ведут себя совершенно не так, как мы ожидаем.

Оксид рутения вообще был в центре научных споров много лет. Физики спорили, магнитный он или нет в объёмной форме. В конце концов пришли к выводу: нет, не магнитный.

Но новое исследование показывает, что наши представления о материалах могут быть фундаментально неверными, когда мы меняем их размеры или подвергаем напряжению.

Как сказала Мин И: «Эта работа показывает, насколько сложными могут быть эти вопросы».

Итого

До появления альтермагнитной памяти в реальных устройствах нам, вероятно, ещё годы. Но это открытие — реальный шаг вперёд в понимании того, как создавать новые квантовые материалы с нужными нам свойствами.

То, что мы можем «включить» магнитное поведение, просто растянув материал и создав в нём напряжение? Это именно тот странный и крутой тип науки, который вселяет оптимизм.

Ваш будущий ноутбук, возможно, будет обязан своим существованием материалам, которые работают только тогда, когда представляют собой буквально горстку атомов и слегка напряжены. Вот это да, правда?