Подожди, магниты бывают разные?

Вот что меня поразило: когда мы говорим «магнит», большинство представляет себе этот маленький магнитик на холодильнике, который держит список покупок. Но ученые давно поняли — magnetism куда сложнее и интереснее, чем мы думаем.

Два главных типа

Долгое время исследователи выделяли всего два основных вида. Ферромагнетики — это те самые привычные магниты. Все крошечные магнитные частицы, электронные спины, выстроены в одном направлении. Отсюда и привычные северный-южный полюса, и то самое удовлетворяющее «щелк» при сцеплении двух магнитов.

А есть еще антиферромагнетики — тихие работяги магнитного мира. В таких материалах соседние спины направлены в противоположные стороны и гасят друг друга. Прицепить такой магнит на холодильник не получится — снаружи он выглядит совершенно немагнитным. Но внутри идет своя миниатюрная гражданская война, где всё идеально сбалансировано.

Оба типа полезны, но у каждого свои минусы. Ферромагнетики легко контролировать — идеально для хранения информации. Но они медленные и прожорливые в плане энергии. Антиферромагнетики переключаются невероятно быстро, что ценно для вычислений. Вот только работать с ними чертовски сложно — их свойства словно спрятаны от глаз.

А что если существует третий вариант, объединяющий лучшее от обоих?

Знакомьтесь: альтермагнетик

Тут начинается самое интересное.

В 2019 году физики из Университета Майнца изучали оксид рутения и произошло нечто странное. По расчетам материал должен был вести себя как антиферромагнетик — никакого общего намагничивания, спины взаимно компенсируются. Но когда ученые пропустили через него электрический ток, материал вдруг начал вести себя как ферромагнетик.

Это странное поведение не укладывалось ни в одну существующую категорию. И ученые сделали то, что делают настоящие исследователи — создали новую категорию.

Назвали альтермагнетиком.

Суть вот в чем: альтермагнетики обладают «скрытым» свойством антиферромагнетиков — их общий магнитный эффект компенсируется. Но расположение атомов внутри заставляет электроны вести себя так, будто они находятся в ферромагнетике. Два мира в одном флаконе, если хотите.

«Такие материалы способны полностью изменить способы передачи информации, — говорит Джамир Марино, физик из Университета в Буффало. — Они могут дать нам скорость переключения антиферромагнетиков, сохраняя при этом удобные электронные свойства ферромагнетиков.»

Представьте более быстрые компьютеры, эффективное хранение данных, новые виды сенсоров. Неплохо для чего-то, что не прилепишь к холодильнику!

Проблема: найти их сложно

Вот загвоздка: подтвердить, что материал — альтермагнетик, задача непростая.

Теоретики предполагают, что существует больше 200 материалов-кандидатов — это вдвое больше, чем известных ферромагнетиков. Огромное поле для исследований. Но пока для идентификации нужны дорогие и сложные эксперименты, которые порой повреждают сам изучаемый материал.

Это как пытаться рассмотреть хрупкую бабочку сачком, который чуть-чуть горит. Что-то узнаете, но есть способы получше.

Бриллиант в грязи

И вот тут история делает поворот, который мне искренне нравится.

Марино и его команда предложили новый метод обнаружения, использующий крошечный дефект внутри алмаза. Нет, это не метафора. Они реально хотят использовать несовершенства.

Внутри некоторых алмазов есть микроскопические дефекты — места, где атом азота соседствует с отсутствующим атомом углерода. Эти крошечные изъяны звучат как проблемы, но на деле невероятно полезны: они крайне чувствительны к nearby магнитной активности.

Предложенный эксперимент работает так: берете предполагаемый альтермагнетик, кладете рядом с алмазом с таким дефектом. Потом вращаете магнитный спин дефекта в разных направлениях и замеряете, как быстро он возвращается в норму.

Если релаксация происходит быстрее в определенных направлениях — эта асимметрия может раскрыть сложные спиновые структуры, делающие альтермагнетики особенными.

«Главное преимущество метода — он гораздо менее разрушителен, чем традиционные способы, — объясняет Марино. — Не хочется, чтобы измерение сильно возмущало изучаемый материал.»

Почему вам должно быть дело?

Понимаю, о чем вы думаете: «Интересно, но какое мне дело?»

Вот какое: мы приближаемся к пределам возможностей нынешней электроники. Компьютеры становятся быстрее, но и прожорливее, и горячее. Если хотим следующее поколение сверхэффективных устройств — квантовые компьютеры, продвинутый ИИ-железо, нейроморфные системы — нам нужны материалы, которые переключаются быстрее и потребляют меньше энергии.

Альтермагнетики могут стать частью этого решения.

А алмазный сенсор? Это инструмент, который поможет находить их быстрее. Словно выдать ученым улучшенный металлоискатель для пляжа с закопанными сокровищами — только вместо золота там материалы для гаджетов будущего.

«Альтермагнетики способны полностью изменить способы передачи информации, — говорит Марино. — Чтобы подтвердить эту элегантную теорию, нужны эксперименты, которые идентифицируют альтермагнетики и покажут, что они ведут себя так, как предсказывают ученые.»

Исследования пока на ранних стадиях, но я искренне захвачен тем, куда это может привести. Самые преобразующие технологии часто рождаются из открытий, которые мы чуть не пропустили — поведения, не вписывающегося в старые рамки, материалов, которые никто не считал нужным изучать внимательно, крошечных алмазных изъянов, оказавшихся идеальными сенсорами.

Следующий великий магнит, возможно, прячется на виду, ожидая умного ученого с алмазом и свежей идеей.