магнитный порядок

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.

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.

Сразу после Большого взрыва космос был горячей плазмой — смесью заряженных частиц и света. В такой среде электрические токи не могли течь сами по себе: нужна была «разность потенциалов», толкающая электроны относительно фотонов. Именно её ищут в теориях космологического магнитогенеза — рождения первых магнитных полей.

Два стремительных потока заряженных частиц сталкиваются — и магнитные силовые линии начинают рваться и пересоединяться. Этот процесс питает вспышки на Солнце и полярные сияния. Обычно считалось, что все частицы ведут себя одинаково, как пули из одного ружья. Но у каждой частицы есть крошечный волчок — собственное вращение, или спин.

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.

Кристалл растёт не как единое целое, а как город из кварталов — зёрен. В каждом квартале атомы выстроены по-своему, и границы между ними — как улицы. В новом эксперименте физики заглянули в такой кристалл с помощью микроскопа, чувствительного к магнитному полю, и увидели, что магнитные участки внутри него в точности повторяют границы кварталов.

Крошечный магнит из слоёв серы, хрома и брома лежит на столике микроскопа. Внутри него, как случайные гости, сидят атомы эрбия — редкоземельного металла. Эти атомы умеют светиться, если их подсветить лазером, и их свет рассказывает о том, что творится вокруг.

Обычный магнит можно представить как строй солдат, где все смотрят в одну сторону. Антиферромагнетик устроен иначе: соседние «солдаты» смотрят в противоположные стороны, но строй в целом остаётся упорядоченным. Перевернуть такой строй сложно — он не реагирует на слабые внешние поля.

Кристалл RbMn6Bi5 похож на пятиэтажку из атомов марганца, где жильцы на каждом этаже образуют пятиугольник. При комнатной температуре магнитные моменты атомов хаотично колеблются, как стрелки компасов в магнитную бурю. Но стоит охладить кристалл ниже определённой температуры, и стрелки внезапно замирают в строгом порядке.

Магнитная стрелка компаса всегда указывает на север, потому что внутри материала все атомные магнитики выстроены в одном направлении. Но есть материалы, где соседние атомы смотрят в противоположные стороны — как ряды солдат, повернувшихся друг к другу лицом. Такие материалы называют антиферромагнетиками.

Представьте себе стопку блинов, где каждый блин намагничен, но направления намагниченности в соседних блинах противоположны. Именно так устроен новый магнитный материал: в каждом атомном слое все магнитные моменты — «стрелки» атомов — выстроены в одном направлении, а следующий слой намагничен строго в обратную сторону.

В обычном ферромагнетике спины электронов — их внутренние «магнитные стрелки», существование которых постулировал Вольфганг Паули, — ориентированы в одном направлении.