антиферромагнетик

Оркестр без дирижёра может звучать слаженно, если музыканты чувствуют общий ритм. В мире твёрдых тел роль такого ритма играют фононы: кванты колебаний кристаллической решётки. Когда атомы в подложке начинают двигаться по кругу, они способны передать своё вращение магнитному слою, лежащему сверху, и перевернуть его намагниченность.

В большом зале два камертона стоят на поворотных подставках. Каждый настроен на свою ноту, но если подставки развернуть под нужным углом, камертоны начинают звучать в унисон, обмениваясь колебаниями через воздух. В эксперименте из лаборатории квантовых технологий роль камертонов сыграли две полоски из пермаллоя — сплава никеля и железа, который легко намагничивается и размагничивается.

По узкой дороге навстречу друг другу идут два каравана. Один — широкий и медленный, везёт груз плотности. Другой — вереница лёгких повозок с током, проскальзывает между первыми. Так в разряде магнетрона сосуществуют две структуры, вращающиеся в противоположные стороны: спица плотности и нити тока.

Представьте лестницу, перекладины которой — крошечные магнитики. Если соседние магнитики ориентированы противоположно (антипараллельно), лестница находится в «спокойном» состоянии. Но если заставить их выстроиться в одном направлении, вся конструкция намагнитится и станет «упрямой» — возникнет ферромагнитный порядок.

Магнитное поле Земли непостоянно: оно дрожит от солнечного ветра, от далёких гроз, от работы метро. Чтобы заметить эти дрожания, нужен прибор, который сам не дрожит. Физики собрали такой прибор из атомов иттербия, охлаждённых почти до абсолютного нуля. В обычном газе атомы носятся хаотично, их сигнал размывается за миллисекунды.

Два листа графена — тончайшие слои углерода толщиной в один атом — уложены как хлеб в бутерброде. Между ними — намагниченный слой CrSBr (сульфобромид хрома). Когда через такой сэндвич пропускают ток, сопротивление зависит от того, куда смотрят магнитные моменты в среднем слое.

Магнит весом в несколько песчинок парит в воздухе без всякой опоры. Он не касается стенок, не трётся о подшипники — просто висит в магнитной ловушке, как пылинка в солнечном луче. Исследователи заставили эту кроху работать сверхчувствительным компасом: прибор ловит изменения магнитного поля в 23 фемтотесла.

Представьте шоссе, где встречные потоки разнесены не просто по разным сторонам, а по двум независимым дорогам — каждая со своим въездом и выездом. Нечто подобное происходит с электронами в новом типе топологического изолятора, который описали авторы работы.

Чёрная дыра — не пылесос. Сама по себе она не притягивает всё подряд сильнее, чем обычная звезда той же массы. Но если рядом с ней есть магнитное поле, а вокруг летают заряженные частицы, начинается интересная игра. Можно вообразить карусель с магнитами: вы сидите на лошадке, а пол под вами усеян железными шариками.

Магнитное зеркало — это открытая с обоих концов труба, в которой магнитное поле устроено так, чтобы удерживать горячую плазму — ионизированный газ, состоящий из заряженных частиц. На концах поле сгущается, образуя «пробки»: частицы, летящие к выходу, отражаются от этих областей и возвращаются обратно.

Радиус звезды падает на тысячу километров. Не потому, что выросла её масса, а потому что собственное магнитное поле сдавило кору, словно невидимый корсет. В центре такого объекта — странный карлик — прячется кварковое ядро: сфера из странной материи весом с Солнце, но диаметром всего в три-четыре километра.

В 2022 году физики описали новый тип магнетизма — альтермагнетизм. В нём электроны с разным направлением вращения (спином) разделяются по энергии в зависимости от направления движения, как бегуны, которые на одной дорожке ускоряются, а на другой замедляются. Но спин — не единственная степень свободы у частиц.

Катушка Теслы потрескивает, и вокруг неё начинает вращаться луч света. Среда, через которую он проходит, ещё стабильна — но поле растёт, и вращение усиливается. Это не фокус, а поведение особых материалов: они связывают электричество и магнетизм. Для такой связи есть фундаментальный предел — предел Теллегена.

Надувной шар с нарисованными фломастером магнитными линиями — простая модель того, как ведёт себя слабое магнитное поле в расширяющейся вселенной. Пока шар маленький, линии послушно лежат на резине и не мешают ей растягиваться. Примерно так поле заполняет готовое пространство, не споря с его геометрией. Но если бы сам фломастер начал раздувать резину, картина стала бы иной.

В великой симфонии магнетизма долго царил дуэт: громогласный ферромагнетизм и бесшумный антиферромагнетизм, где спины-солисты гасят друг друга. Но недавно в ансамбль вступил третий голос — альтермагнетизм.

В кристалле, который столетиями называли «золотом дураков», физики разглядели подлинное сокровище. Соединение MnTe2 с пиритной структурой стало сценой для квантового балета: спиновые волны здесь закручиваются в лево- и правосторонние вихри, причём направление закрутки намертво связано с импульсом.

Создание материала с заданными свойствами — искусство, которое долго полагалось на интуицию и везение. Природа не даёт подсказок: десятки элементов в менделеевской таблице, и число их сочетаний уходит в бесконечность. Прежде материаловеды напоминали алхимиков, пробующих всё подряд, или полагались на статистические модели, терявшие силу за границами известного.

В кромешной тьме вакуумной камеры парит крошечный магнит. Он не касается стенок и почти не теряет энергию — идеальный страж, готовый уловить слабейший толчок. Именно такой страж нужен для охоты на аксионы. Эти частицы — главные подозреваемые в деле о скрытой массе Вселенной, которую мы называем тёмной материей.

В некоторых кристаллах магнитные моменты атомов — их микроскопические «стрелки» намагниченности — колеблются согласованно, подобно волне, бегущей по трибунам стадиона. Эта спиновая волна переносит спин без перемещения электрических зарядов, а значит, почти не нагревает материал. Такое течение напоминает невидимую реку — бесшумное и холодное.

Переключатель, который сам знает, куда течь. Так работает джозефсоновский диод — сверхпроводящий мостик, где ток в одну сторону идёт охотно, а в другую — упирается. В новой работе такой мостик сделали из графена — листа углерода толщиной в один атом. Эффект проявился, когда на устройство подали слабое магнитное поле — всего несколько миллитесла.

Две команды тянут канат с одинаковой силой в разные стороны — канат не двигается, общее усилие равно нулю. Так ведут себя многие антиферромагнетики: магнитные моменты атомов выстроены встречно и гасят друг друга. Но иногда, даже при нулевом общем магнетизме, электроны внутри чувствуют разницу — как будто один конец каната сделан из шёлка, а другой из наждачной бумаги.

Рой светлячков почти не сталкивается, но синхронно меняет цвет, обмениваясь сигналами. Так ведут себя нейтрино в плотных потоках от коллапсирующих звёзд: они коллективно превращаются из одного типа в другой, хотя поодиночке взаимодействуют крайне слабо.

Два магнита на столе либо притягиваются, либо отталкиваются — смотря как повёрнуты их полюса. Внутри каждого кусочка прячутся крошечные области, где все магнитные стрелки смотрят в одну сторону. Эти области называют доменами, и от их расположения зависит, как материал поведёт себя в электрической цепи. У альтермагнетиков — нового класса веществ — домены устроены хитрее.

Переводчик работает в двух мирах сразу: для внешнего наблюдателя он молчалив и незаметен, но внутри его сознания кипит бурная деятельность с чёткими смысловыми линиями. Примерно так устроены альтермагнетики — недавно открытый класс магнитных материалов.

Каждый электрон — это миниатюрный магнит, обладающий собственным магнитным моментом. В слое хлорида железа толщиной в один атом все эти моменты дружно ориентируются в одном направлении, словно танцоры в идеальном синхронном номере. Обычно природа избегает такого порядка — это и есть высокая энтропия, мера беспорядка в системе, — но квантовые силы заставляют электроны подчиняться.

В оркестре атомов у каждого инструмента своя партитура. Но иногда два музыканта начинают играть в унисон — и звук усиливается во много раз. В квантовом мире такое «созвучие» называют резонансом Фешбаха. Оно позволяет управлять атомными взаимодействиями с ювелирной точностью. Резонанс Фешбаха — это не совпадение нот, а совпадение энергий.

Магнитный вихрь, или скирмион, похож на крошечный водоворот в море спинов — собственных магнитных моментов атомов. Как воронка в реке, он закручивает намагниченность вокруг себя, и этот узор оказывается очень стойким: его трудно разрушить случайной встряской.

Если бросить горсть монет на стол, они лягут как попало. Но в некоторых кристаллах атомы выстраиваются в узор, напоминающий плетёную корзину — решётку кагоме. В металле MgMn₆Sn₆ такую решётку образуют атомы марганца, и при комнатной температуре они действуют как крошечные магнитные стрелки. Только смотрят эти стрелки не строго в одну сторону, а слегка расходятся веером в плоскости слоя.

Спектр вещества — его отпечаток пальцев. Обычно, чтобы его снять, образец помещают в сильное магнитное поле, как в томографе. Но есть способ обойтись вовсе без магнита: регистрировать сигнал от ядер атомов при нулевом поле. До сих пор этот метод страдал от слабой чувствительности, а его сложные спектры было трудно предсказать.

Представьте стопку магнитных пластинок, где каждая следующая намагничена противоположно соседней. Это слоёный бутерброд, в котором электроны движутся как единый организм. Весь материал начинает подражать аксиону — частице-призраку, почти не взаимодействующей с веществом, которую физики подозревают в том, что она и есть тёмная материя.

Внутри сверхпроводника магнитное поле обычно закручивается в трубки — вихри, каждый из которых несёт один квант магнитного потока. Так устроена классическая решётка Абрикосова. Но в кристаллах LiFeAs картина иная. Мюонная спектроскопия показала: поле проникает не отдельными вихрями, а полосами. В каждой полосе — пары «безсердцевинных» вихрей.

Сверхтекучий газ ведёт себя как жидкость без трения. Два облака такого газа соединяются узким мостиком, и через него течёт поток частиц. Это напоминает эффект Джозефсона в сверхпроводниках, только вместо электронов — нейтральные атомы.

В крошечном магните информация записана не в том, куда смотрит стрелка, а в том, как чередуются направления его атомов. У антиферромагнетиков эти стрелки компенсируют друг друга, поэтому снаружи материал кажется немагнитным. Запись есть, но прочитать её обычным способом нельзя: состояние как записка, написанная невидимыми чернилами.

В кристалле Rb1-xV2Te2O спины атомов ванадия выстраиваются в шахматном порядке: каждый спин окружён противоположными. Такой узор называют G-типом антиферромагнетизма. Нейтроны, проходя сквозь образец, рассеиваются на этом узоре и выдают его геометрию — как свет фонарика, проходящий через жалюзи, рисует полосы на стене.

Пчелиные соты построены из одинаковых ячеек, но стоит чуть изменить форму одной — и вся конструкция приобретает новые свойства. Примерно так же поступили исследователи, создавая магнит без единого атома металла. Они взяли плоские углеродные молекулы в форме треугольников — триангулены — и выложили их в гексагональную решётку, как пчёлы строят соты.

Танцпол заполнен людьми, которые движутся каждый сам по себе. Вдруг часть из них разбивается на пары — кружатся, почти не замечая соседей, а остальные выстраиваются в цепочки. Примерно так ведут себя атомы в металле CsCr₃Sb₅ — одном из представителей кагоме-металлов, чья кристаллическая решётка напоминает плетёную корзину.

Обычный магнит на холодильнике притягивает железо, потому что внутри него все крошечные магнитные стрелки выстроены в одном направлении. Но есть материалы, где стрелки выстраиваются хитрее: соседние ряды смотрят в противоположные стороны, и снаружи кажется, что магнетизма нет. Такие материалы назвали альтермагнетиками.

Кристалл без центра симметрии похож на комнату, где стены с одной стороны зеркальные, а с другой — матовые: отражение не совпадает с оригиналом. Такие материалы часто ведут себя необычно, потому что электроны в них чувствуют перекос решётки.

Оксид рутения долго считали образцовым альтермагнетиком — материалом, у которого магнитные моменты соседних атомов направлены противоположно, но не компенсируются полностью из-за особой симметрии кристалла. Новые измерения показали: внутри кристалла никакого магнетизма нет. Вся магнитная жизнь сосредоточена на поверхности.

В тонкой плёнке оксида никеля магнитные области, как кусочки мозаики, выстроены в строгом порядке. Один импульс лазера мгновенно нагревает материал, и мозаика рассыпается: домены теряют ориентацию и перемешиваются. Учёные засняли этот процесс с помощью магнитооптической визуализации — метода, который показывает магнитную структуру по изменению поляризации света. Но на этом фокус не заканчивается.