Физикам впервые удалось экспериментально наблюдать полную последовательность необычных магнитных состояний в ультратонком материале, что подтверждает теоретическую модель двумерного магнетизма, предложенную ещё в 1970-х годах. Это открытие, совершённое исследователями из Техасского университета в Остине и опубликованное в журнале Nature Materials, может в перспективе привести к созданию сверхкомпактных технологий, основанных на контроле магнетизма в наномасштабе.
В ходе эксперимента учёные охлаждали атомарно тонкий слой материала никель-фосфор-трисульфида (NiPS3) до температур между -150 и -130 °C. Такие низкие температуры необходимы для стабилизации особого магнитного состояния, известного как фаза Березинского-Костерлица-Таулеса (БКТ). При этих условиях тепловые флуктуации подавляются, что позволяет удерживать вместе пары магнитных вихрей и антивихрей, чья энергия связи иначе была бы превышена, что привело бы к разрушению фазы. В этой фазе магнитные моменты отдельных атомов организуются в вихревые структуры, которые образуют пары, вращающиеся в противоположных направлениях.
Фаза БКТ наблюдается не только в NiPS3, но и в других двумерных системах, включая тонкие плёнки гелия-4 при сверхнизких температурах, двумерные сверхпроводники (например, тонкие слои свинца или ниобия) ниже их критической температуры, а также в некоторых других двумерных антиферромагнетиках. Ключевым условием является слабая межслоевая связь, обеспечивающая квазидвумерное поведение при низких температурах, обычно ниже -100 °C.
При дальнейшем понижении температуры материал перешёл во второе магнитное состояние — так называемую упорядоченную фазу «шестичасового циферблата». В этой конфигурации магнитные моменты выстраиваются в одном из шести возможных направлений, связанных симметрией. Наблюдение обеих фаз экспериментально подтвердило реализацию двумерной модели «шести состояний», предсказывающей именно такую последовательность магнитных переходов.
«Эти магнитные вихри в фазе БКТ исключительно стабильны и занимают всего несколько нанометров в поперечнике при толщине в один атомный слой, — пояснил руководитель исследования Эдоардо Бальдини. — Это открывает новые пути для управления магнетизмом в наномасштабе». Следующей задачей учёных станет поиск материалов, способных поддерживать подобные фазы при более высоких температурах, в идеале — близких к комнатной, что требует преодоления ограничений, накладываемых тепловыми флуктуациями.
Открытие указывает на то, что многие другие двумерные магнитные материалы могут скрывать ранее неизвестные фазы, что сулит новые фундаментальные открытия в физике и перспективные концепты для наноразмерных электронных устройств. Исследование, поддержанное Национальным научным фондом США, проводилось специалистами Техасского квантового института с участием учёных из нескольких университетов.
Источник: Physicists finally see strange magnetic vortices predicted 50 years ago