Кристалл, демонстрирующий экзотический спиральный магнетизм

Магнетизм создается и защищается уникальной электронной структурой кристалла, предлагая механизм, который можно использовать для быстрых и надежных устройств хранения информации.

Этот «полуметаллический» кристалл состоит из повторяющихся элементарных ячеек, таких как ячейка слева, которая имеет квадратную вершину и прямоугольные стороны. Сферы представляют собой атомы кремния (фиолетовый), алюминия (бирюза) и – в золоте – атомы неодима (Nd), последние из которых являются магнитными.

Недавно изобретенный материал имеет необычную структуру, которая проводит электричество, но заставляет текущие электроны вести себя как безмассовые частицы, чей магнетизм связан с направлением их движения. В других материалах такие электроны Вейля вызвали новое поведение, связанное с электропроводностью. Однако в этом случае электроны способствуют самопроизвольному образованию магнитной спирали.

«Наше исследование показывает редкий пример того, как эти частицы управляют коллективным магнетизмом», – сказал Коллин Брохолм, физик из Университета Джона Хопкинса, который руководил экспериментальной работой в Центре нейтронных исследований NIST (NCNR). «Наш эксперимент иллюстрирует уникальную форму магнетизма, которая может возникать из-за электронов Вейля».

Результаты показывают сложную взаимосвязь между материалом, электронами, протекающими через него в виде тока, и магнетизмом, который проявляет материал.

В магните холодильника мы иногда представляем, что каждый из его атомов железа имеет стержневой магнит, пронизывающий его «северным» полюсом, направленным в определенном направлении. Это изображение относится к ориентации спинов атомов, которые выстраиваются параллельно. Материал, изучаемый командой, разный. Это «полуметалл» из кремния и металлов алюминия и неодима. Вместе эти три элемента образуют кристалл, что означает, что составляющие его атомы расположены в регулярном повторяющемся узоре. Однако это кристалл, который нарушает инверсионную симметрию, а это означает, что повторяющийся узор отличается на одной стороне элементарных ячеек кристалла – наименьшего строительного блока кристаллической решетки – от другой. Такое расположение стабилизирует электроны, протекающие через кристалл, что, в свою очередь, приводит к необычному поведению в его магнетизме.

Стабильность электронов проявляется в однородности направления их спинов. В большинстве материалов, проводящих электричество, таких как медная проволока, электроны, протекающие по проволоке, имеют спины, указывающие в случайных направлениях. Иначе обстоит дело с полуметаллом, нарушенная симметрия которого преобразует текущие электроны в электроны Вейля, спины которых ориентированы либо в направлении движения электрона, либо в прямо противоположном направлении. Именно эта привязка спинов вейлевских электронов к их направлению движения – их импульсу – вызывает редкое магнитное поведение полуметалла.

Все три типа атомов материала проводят электричество, создавая ступеньки для электронов, когда они прыгают от атома к атому. Однако только атомы неодима (Nd) проявляют магнетизм. Они восприимчивы к влиянию электронов Вейля, которые странным образом толкают спины атома Nd. Посмотрите вдоль любого ряда атомов Nd, который протягивается через полуметалл по диагонали, и вы увидите то, что исследовательская группа называет «спиновой спиралью».

«Упрощенный способ представить, что спин первого атома Nd указывает на 12 часов, затем следующий на 4 часа, затем третий на 8 часов», – сказал Брохольм. «Затем картина повторяется. Эта красивая спиновая «текстура» создается электронами Вейля, когда они посещают соседние атомы неодима ».

Чтобы выявить особый магнетизм, возникающий в кристалле, потребовалось сотрудничество между многими группами в Институте квантовой материи Университета Джонса Хопкинса. В его состав входили группы, работавшие над синтезом кристаллов, сложными численными расчетами и экспериментами по рассеянию нейтронов.

«Что касается рассеяния нейтронов, мы получили большую пользу от большого количества времени, которое было доступно для дифракции нейтронов на пучке нейтронов в Центре нейтронных исследований NIST», – сказал Джонатан Годе, один из соавторов статьи. «Без таймера луча мы бы пропустили эту прекрасную новую физику».

Каждая петля спиновой спирали имеет длину около 150 нанометров, и спирали появляются только при низких температурах ниже 7 К. Брохольм сказал, что существуют материалы с аналогичными физическими свойствами, которые функционируют при комнатной температуре, и что их можно использовать для создания эффективной магнитной памяти. устройств.

«Технология магнитной памяти, такая как жесткие диски, обычно требует создания магнитного поля для их работы», – сказал он. «С этим классом материалов вы можете хранить информацию без приложения или обнаружения магнитного поля. Чтение и запись информации с помощью электричества происходит быстрее и надежнее ».

Понимание эффектов, которые вызывают электроны Вейля, также может пролить свет на другие материалы, которые вызвали ужас у физиков.

«По сути, мы могли бы создать множество материалов с разными характеристиками внутреннего вращения – и, возможно, мы уже это сделали», – сказал Брохольм. «Как сообщество, мы создали множество магнитных структур, которые мы не сразу понимаем. Увидев особый характер магнетизма, опосредованного Вейлем, мы, возможно, наконец сможем понять и использовать такие экзотические магнитные структуры ».