антиферромагнитный порядок

Настройка радиоприёмника на станцию, которая меняет частоту при пересечении границы фаз, — так можно представить задачу, стоявшую перед исследователями. В металле YbRh2Si2 электроны ведут себя как «тяжёлые» частицы: их эффективная масса в сотни раз больше массы свободного электрона.

В некоторых кристаллах электроны не размазаны равномерно, а выстраиваются в строгую шахматную доску: на одной клетке электронов больше, на соседней меньше. Такой узор называют зарядовым порядком, и долгое время его считали чем-то застывшим, вроде рисунка на морозном стекле. Но недавно выяснилось, что этот узор можно перевернуть, как магнитный порядок переворачивают импульсом тока.

Микроволновая печь греет еду, но в лаборатории микроволны сделали нечто иное: превратили сверхпроводник в постоянный магнит. Плёнка из оксида иттрия-бария-меди толщиной 300 нанометров, охлаждённая до 80 кельвинов, откликнулась на излучение частотой 5 гигагерц.

Ток в обычном металле течёт как толпа людей по прямой улице: каждый электрон — сам по себе, и если включить магнитное поле, вся толпа слегка сдвигается вбок. Этот сдвиг называют эффектом Холла. Но в «странных металлах» — материалах, где электроны ведут себя не как отдельные частицы, а как единое целое — картина ломается.

В тонкой плёнке из кобальта и железа, нанесённой на кремниевую подложку, формируется крошечный магнитный вихрь — скирмионоподобная структура, называемая магнитной каплей. Он не разлетается, а удерживается на месте, подобно капле масла на горячей сковороде, где роль жара играет электрический ток, пропущенный через узкий перешеек шириной порядка сотни атомов.

Магнитный каркас кристалла EuMnSb2 напоминает строительные леса: марганцевые атомы образуют жёсткие вертикальные стойки, а европиевые — подвижные перекладины. До сих пор не было единого мнения, под каким углом наклонены эти перекладины в покое и как они поворачиваются, когда на леса давит магнитное поле. Обычные методы не давали точного ответа: атомы европия жадно поглощают нейтроны, и сигнал тонет в шуме.

Магнитное поле в термоэлектричестве обычно действует как строгий регулировщик: чтобы тепло преобразовывалось в электричество, поле обязано быть ориентировано поперечно потоку тепла. Если поле лежит вдоль теплового потока, эффект исчезает — так считалось десятилетиями.

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.

Курьер доставляет посылки в дом с двумя подъездами. Пока дверь открыта, он свободно заходит в оба. Но стоит одной двери начать закрываться, попасть внутрь становится всё труднее. Примерно так ведёт себя информация у горизонта чёрной дыры — невидимой границы, откуда ничто не может вырваться наружу. В новой работе учёные описали этот процесс как два противоположных потока.

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.

Строй солдат по команде поворачивается в одну сторону. В магнитных материалах роль солдат играют спины атомов — крошечные магнитные стрелки. В обычном магните они смотрят одинаково, но в треугольной решётке всё сложнее: соседи мешают друг другу, и возникает запутанный танец. Физики изучили кристалл Na₂BaCo(PO₄)₂ с ионами кобальта, расположенными в углах треугольников.

Ток ионов через мембрану похож на очередь к турникету. Иногда турникет свободен — ионы проходят быстро. Иногда застревает — поток падает. Слабое магнитное поле, как выяснилось, не толкает ионы в спину, а просто меняет число открытых турникетов. Авторы построили равновесную модель, где транспортный канал может находиться в нескольких состояниях — одни проводят ток, другие нет.

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.

Паркет, где каждая вторая дощечка повёрнута в противоположную сторону, выглядит симметричным. Но если провести рукой, в одном направлении пальцы скользят по волокнам, а в другом — цепляются. Примерно так устроен новый тип магнетизма, который изучали в кристалле AgCrP2S6. В этом слоистом материале атомы хрома выстроены в длинные цепочки — как нитки бус.

Гитарная струна продолжает дрожать даже после того, как музыкант отпустил её, — и это дрожание меняет звук, который слышит слушатель. Примерно так же ведут себя магнитные моменты в кристалле: они выстраиваются в строгий антиферромагнитный порядок (соседи смотрят в разные стороны), но при этом никогда не замирают полностью.

Сверхпроводящие кубиты — бьющееся сердце квантовых компьютеров, но их ритм сбивает декогеренция: квантовость растворяется в шуме. Традиционные архитектуры либо теряют точность управления, либо полагаются на магнитные поля — а те, как незваные дирижёры, вносят перекрёстные помехи.

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 мире магнетизма долго царила простая дихотомия: ферромагнетики, где спины смотрят в одну сторону, и антиферромагнетики, где они выстраиваются в шахматном порядке, компенсируя друг друга. Но недавний «третий игрок» — альтермагнетики — заставил переписывать правила.

Внутри кристалла разворачивается незримый балет: магнитные моменты атомов, словно танцоры, то выстраиваются в унисон, то рассыпаются в противофазе. Хореографию диктует квантовый обмен — музыка, чуткая к геометрии связей. Согласно правилам Гуденафа–Канамори–Андерсона, угол M–X–M между магнитным ионом, лигандом и соседним магнитным ионом определяет, смотрят ли спины в одну сторону или врассыпную.

Тонкая магнитная плёнка похожа на строй солдатиков с крошечными магнитными стрелками. В плоском мире тепловые толчки быстро сбивают этот строй — малейший нагрев разрушает порядок. Так работает запрет Мермина–Вагнера: в двух измерениях непрерывная симметрия не выживает при конечной температуре.

В мире, стремящемся к хаосу, иногда рождается ритм. Химическая реакция Белоусова–Жаботинского десятилетиями поражает воображение: в пробирке сами собой бегут цветные волны, словно живой организм, дышащий материей. Нечто подобное таится в кристаллах, где атомы железа балансируют между двумя магнитными ипостасями — высокоспиновой и низкоспиновой.

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.

С помощью лазерной спектроскопии — метода, который можно сравнить с прослушиванием эха от кристалла: световой импульс возбуждает образец, а отклик рассказывает о внутренней структуре, — физики исследовали слоистый материал.

Красные гиганты — это раздувшиеся стареющие звёзды, исчерпавшие водород в ядре. В их недрах бурлит океан плазмы: тепло пробивается от ядра к поверхности, рождая волны, похожие на могучий прибой. Магнитное поле внутри звезды работает как невидимый подводный рельеф — оно направляет эти волны, меняет их высоту и скорость.

Ток пропускают через пружинку из органических молекул — и на выходе электроны крутятся почти все в одну сторону. Этот фокус называют хиральной спиновой селективностью, и он долго не давал физикам покоя. В лёгких атомах спин (собственное вращение частицы) слишком слабо связан с движением заряда, чтобы обеспечить почти стопроцентную сортировку.

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.

Толстый резиновый жгут скручивают всё сильнее. В какой-то момент он не выдерживает — рвётся и хлещет по сторонам, высвобождая накопленную энергию. Примерно так же ведут себя магнитные поля внутри нейтронных звёзд — сверхплотных остатков взорвавшихся светил.

Танцевальная площадка полна пар, кружащихся в вальсе. Обычно партнёры движутся в противоположных направлениях: один делает шаг вперёд, другой — назад, чтобы сохранить общий ритм.

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.

Кастрюля с водой на плите: чем горячее конфорка, тем быстрее лёд превращается в воду, а вода — в пар. Тепло разрушает порядок. Но иногда природа выкидывает фокус — и от нагрева жидкость застывает, словно лужа на морозе.

Кристалл La3Ni2O7 похож на слоёный пирог, где начинка из атомов никеля и кислорода чередуется с прослойками лантана. При обычном давлении он не проводит ток без сопротивления, но стоит его сжать или вырастить в виде тонкой плёнки — появляется высокотемпературная сверхпроводимость.

В куске обычного магнетика все электронные спины — крошечные магнитные стрелки — смотрят в одну сторону. Это строй солдат, повёрнутых лицом к командиру. Такой порядок называют коллинеарным альтермагнетиком.

Очередь из людей, которые держатся за руки, но смотрят в разные стороны: одни — на север, другие — на юг. Так устроен p-волновой магнит. Электроны в нём выстраивают свои магнитные моменты (спины) не хаотично, а по строгому волнообразному узору.

В обычном кристалле атомы стоят ровными рядами, как солдаты на плацу. Любое отклонение от этого строя принято считать вредным: беспорядок рассеивает волны и быстро гасит коллективные движения частиц. Но в некоторых материалах специально смешивают разные атомы, чтобы получить так называемую высокоэнтропийную структуру — этакий винегрет, где каждый сорт атомов занимает случайное место.

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.

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.

Маленький шарик с железной начинкой лежит на поверхности, а вокруг него крутится магнитное поле. Шарик начинает катиться, как колесо, и обычно едет туда, куда вращается поле. Но иногда он вдруг разворачивается и катится в обратную сторону — против поля.

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.