Магнитный свет в кристалле: альтермагнетизм Mn₂Mo₃O₈ экспресс
Кристалл Mn₂Mo₃O₈ можно представить как упорядоченный наномир, где атомы марганца образуют решётку, а их магнитные моменты — микроскопические «стрелки» — чередуются: вверх-вниз-вверх-вниз. Такое состояние называется коллинеарным альтермагнетизмом: суммарная намагниченность равна нулю, но симметрия кристалла нарушена.
При облучении светом атомы начинают колебаться, и анализ частот этих колебаний — своего рода «отпечатков пальцев» — позволяет восстановить структуру материала. Физики применили два взаимодополняющих метода: рамановское рассеяние, при котором фотоны меняют энергию (цвет) после взаимодействия с колебаниями решётки, и терагерцовую спектроскопию, работающую в диапазоне между инфракрасным и микроволновым излучением. Впервые удалось зафиксировать все типы колебаний, включая ранее неуловимые.
При комнатной температуре кристалл парамагнитен — магнитные моменты ориентированы хаотично. Но при охлаждении ниже критической температуры возникает магнитный порядок. В терагерцовом спектре появляется широкая полоса, которая по-разному поглощает свет с левой и правой круговой поляризацией (направлением вращения электрического поля волны). Это явление — магнитный круговой дихроизм — указывает на взаимодействие света с коллективными колебаниями магнитных моментов (магнонами).
Ожидаемого расщепления колебаний на две поляризованные ветви не произошло. Вероятная причина — слабое спин-орбитальное взаимодействие: связь между спинами (магнитными стрелками) и орбитальным движением электронов у ионов марганца. Однако при наложении внешнего магнитного поля в 4 тесла (примерно в 100 000 раз сильнее магнитного поля Земли) магнитные моменты перестраиваются, и новый сигнал исчезает. Так учёные подтвердили, что сигнал связан именно с магнитным порядком.
Это исследование добавляет важный штрих к пониманию альтермагнетиков — материалов, где магнитные моменты скомпенсированы, но симметрия структуры создаёт необычные электронные свойства. Такие кристаллы могут пригодиться в спинтронике — электронике, использующей не только заряд, но и спин электронов.
Терагерцовое излучение, использованное в эксперименте, находится между инфракрасным светом и микроволнами. Оно способно «видеть» сквозь одежду и упаковку, поэтому его применяют в сканерах безопасности в аэропортах.