d-волновой альтермагнетик

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.

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.

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.

Лист бумаги с магнитными свойствами — примерно так устроен новый материал 1T-CrS₂. Его слои скреплены слабыми силами, как страницы блокнота, но каждый слой — настоящий магнит. Причём магнит жёсткий: он сохраняет намагниченность поперёк слоёв и не теряет её даже при нагреве выше комнатной температуры. Вырастить такие кристаллы долго не удавалось.

В сверхпроводниках электроны объединяются в пары и текут без сопротивления. Обычно эти пары распределены равномерно, как вода в спокойном озере. Но иногда в материале возникает рябь — пары сгущаются и разрежаются с определённым шагом. Такое состояние называют сверхпроводимостью с волной плотности пар.

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.

Гончар пытается измерить толщину стенки кувшина, но каждый раз вместе с толщиной прибор показывает ещё и кривизну сосуда. Примерно так живут физики, изучающие квантовые материалы: две ключевые геометрические характеристики — квантовая метрика (мера «расстояния» между квантовыми состояниями) и кривизна Берри (мера их «закрученности»)…

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.

Книга открыта на середине. По корешку бежит ток, а страницы остаются холодными. Примерно так устроен двумерный топологический изолятор — материал, где электричество течёт только по краям, а внутренность неподвижна.

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.

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.

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.

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.

Представьте небоскрёб, собранный не из отдельных кирпичей, а из целых квартир-студий. Именно так устроен кристалл Au₆Te₁₂Se₈: его узлы — не атомы, а сверхатомные кластеры из золота и халькогенов, которые ведут себя как единые квантовые объекты.

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.

Физики реализовали трёхмерную андерсоновскую локализацию электромагнитных волн — явление, при котором волны навсегда запутываются в случайном лабиринте из металлических частиц и перестают распространяться.

Узкая длинная сковорода — и тонкий блин застывает на ней неровными полосами. Десятилетиями ученые видели похожую картину, когда моделировали поведение электронов в сверхпроводниках — материалах, проводящих ток без потерь. Они использовали вытянутые «цилиндры», и результат всегда был один: жесткие магнитные «полосы», которые, как считалось, мешают сверхпроводимости.

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.

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.

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.

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.

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.

Среди магнитов есть тихие мастера перевоплощений. Обычный магнит притягивает скрепки и имеет два полюса — север и юг. А есть материалы, которые внутри устроены как магнитная шахматная доска: их атомы выстроены в строгом порядке, но снаружи материал ведёт себя нейтрально, как будто магнита нет вовсе. Такие вещества называют альтермагнетиками.

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 магнитной плёнке, как в переполненном зале, каждый «человек» — это стрелка-спин, которая норовит встать в одну сторону с соседями. Но в углах зала возникают давки — вихри, где стрелки закручиваются и не могут выровняться. Эти вихри живут парами: один крутится влево, другой вправо, и вместе они не дают залу окончательно успокоиться.

Магнитная стрелка компаса поворачивается медленно, но внутри некоторых материалов крошечные магнитные моменты способны разворачиваться за времена, которые трудно вообразить. Группа физиков рассчитала, как заставить их менять направление за миллионную долю миллиардной доли секунды. Это быстрее, чем мигает лампочка.

Тонкая плёнка мыла на руке повторяет форму ладони, но стоит сжать пальцы — и натяжение меняется неравномерно. Похоже ведёт себя монослой дисульфида молибдена на графитовой подложке.

Представьте две пары качелей, раскачивающихся в противофазе: их усилия взаимно компенсируются, и площадка остаётся неподвижной. Но само движение рождает в воздухе невидимые вихри, способные толкнуть лежащий рядом мячик вбок.

Ковёр лежит ровно, но если его толкнуть с краю, по нему побегут складки. В тонкой плёнке сульфида тантала (1T-TaS2) складки из электронов — волны заряда — застывают, как будто ковёр примёрз к полу. Чтобы сдвинуть их, нужно приложить усилие. Учёные нашли способ управлять этим усилием с помощью электрического поля и магнита.

Кристалл похож на город, где дома стоят ровными рядами. Но если слегка растянуть землю под городом, дома могут наклониться — и наклон пойдёт волной от квартала к кварталу. В кристаллах SrTiO3 и SrMnO3 учёные нашли именно такой скрытый режим: мягкую волну наклона кислородных октаэдров, которая раньше не замечалась.

Магнитные моменты в кристалле похожи на стрелки компасов, закреплённые в узлах решётки. В обычном состоянии они выстраиваются в аккуратный порядок, но если по кристаллу ударить электромагнитной волной, стрелки начинают колебаться — как хлебные колосья под ветром. Эти колебания называют магнонами, и они переносят энергию без перемещения самих атомов.