Кристалл, демонстрирующий экзотический спиральный магнетизм

 

По словам ученых, проанализировавших новый кристалл, в котором они появляются, в Национальном институте стандартов и технологий (NIST), была открыта экзотическая форма магнетизма, связанная с столь же экзотическим типом электронов.

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

Кристалл, демонстрирующий экзотический спиральный магнетизм - обнаружен

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.

Прочитайте также  Google выпустит доступный смартфон Pixel

 

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.

Прочитайте также  Ученые узнали, какая музыка нравится собакам

«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 ».


В нашем Telegram‑канале, и группе ВК вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
👇 Поделитесь в вашей соцсети

ДРУГИЕ НОВОСТИ

 

Добавить комментарий