На атомном уровне магнетизм связан с квантовым свойством электронов — спином. Когда спины выстраиваются определенным образом, материал может проявлять магнитные свойства. В ферромагнитных материалах спины электронов направлены в одну сторону. Их совокупное действие создает магнитное поле — то самое, которое мы наблюдаем у обычных магнитов, или ферромагнетиков.

Вторая категория, выявленная в 1933 году, действует иначе. В антиферромагнетиках спины соседних электронов направлены в противоположные стороны, в результате чего суммарная намагниченность оказывается равной нулю.

На протяжении почти 90 лет эти две категории служили основой для понимания магнетизма, пишет Science Daily. Однако результаты экспериментов, полученные в последние годы, указали на явления, которые не укладывались ни в одну из этих категорий. Некоторые из них демонстрировали чередующиеся спины электронов при отсутствии суммарной намагниченности — подобно антиферромагнетикам. В то же время они оказались способны поддерживать спиновые токи — свойство, характерное для ферромагнетиков.

В 2022 году для обозначения материалов, относящихся к новому, третьему классу магнитных веществ был введен термин «альтермагнетики». Их ключевая особенность заключается в расположении атомов: в них спины электронов чередуются, при этом кристаллическая структура вокруг противоположно направленных спинов оказывается повернутой относительно друг друга.

Несмотря на растущий объем экспериментальных данных, ученым был необходим убедительный способ доказать, что альтермагнетизм действительно является самостоятельной магнитной фазой. Недостающим доказательством стала хиральность — свойство, которое иногда описывают как «праворукость» или «леворукость». В альтермагнетике необычное расположение атомов и электронных спинов может порождать подобную хиральность в электронной и магнитной структуре материала. Обычные антиферромагнетики такой характеристикой не обладают.

В качестве объекта исследования ученые выбрали теллурид марганца. В прошлом его считали обычным антиферромагнетиком, однако недавниее работы позволили предположить, что он относится к новой категории материалов. Группа ученых из Национальной ускорительной лаборатории США и Стэнфордского института материалов и энергетических наук провела эксперименты в Европейском центре синхротронного излучения во Франции. Использовав рентгеновские лучи с круговой поляризацией, исследователи выявили отчетливое различие в том, как теллурид марганца взаимодействует с двумя поляризациями рентгеновского излучения. Этот характерный хиральный отклик был именно тем сигналом, которого следовало ожидать от альтермагнетика.

«За последние несколько лет ученые столкнулись с явлениями, которые не укладываются в привычную дихотомию „ферромагнетизм — антиферромагнетизм“, — пояснил Дэниел Йост, научный сотрудник, ведущий автор исследования. — Исследователи собирали доказательства существования третьего типа магнетизма, который объединяет в себе свойства обоих этих классов. Мы полагаем, что наши результаты служат надежным экспериментальным подтверждением того, что эта третья фаза — альтермагнетизм — действительно существует».

Это открытие может иметь важные последствия для спинтроники — развивающейся области, в которой для создания более совершенных электронных устройств используется спин электрона.

В начале года физики из США впервые экспериментально наблюдали полную последовательность экзотических магнитных фаз в двумерном материале, охлажденном до сверхнизких температур. Их работа реализует теоретическую модель двумерного магнетизма, предложенную еще в 1970-х годах.