магнетизм муаровых узоров

Дверной замок с двумя разными ключами: один проворачивается легко, другой требует заметного усилия. Так ведут себя два слоя гексагонального нитрида бора, когда их поворачивают друг относительно друга. Этот материал состоит из атомов бора и азота, уложенных в шестиугольную сетку, и его слои могут лежать в разных положениях, как две одинаковые решётки, сдвинутые на разный угол.

Лист бумаги, оставленный на мокром столе, коробится и приподнимает края. Никто не управляет этим движением, но оно происходит по тем же законам, что и рост растения: одни области листа сжимаются сильнее других, и плоская форма превращается в объёмную. Инженеры давно мечтали приручить этот процесс, чтобы плоская заготовка сама складывалась в нужную скульптуру.

Колода карт, в которой каждая карта слегка повёрнута, не может лечь ровно: рубашки и рисунки никак не совпадут. Но если карты гибкие, они начнут подстраиваться, сдвигаясь на доли миллиметра, чтобы найти идеальное совпадение. Нечто похожее происходит внутри кристаллов, когда два толстых слоя MoS2 или MoS2 с WS2 складывают с поворотом на 1–2 градуса.

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.

Обычно свет не превращает изолятор в проводник — для этого требуются мощные лазерные импульсы, разрушающие структуру материала. Но в скрученном под магическим углом двуслойном графене — материале из двух слоёв углеродной решётки, повёрнутых друг относительно друга на особый угол, — всё иначе.

Муаровые узоры — наглядный пример того, как наложение двух периодических структур с разным шагом создаёт новый, более крупный рисунок. Вспомните две расчёски с чуть отличающимся расстоянием между зубьями: сложенные вместе, они показывают тёмные разводы. Похожий эффект физики обнаружили во времени.

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.

Лист бумаги в клетку, лист в ромбик и лист в соты — три разные вселенные для муравья. Сменил лист — и правила движения изменились. Примерно так же электроны ощущают кристаллическую решётку: геометрия диктует, будут они магнитиками, сверхпроводниками или чем-то ещё. В обычных материалах решётка жёсткая, как выгравированная.

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.

Огромный бассейн с водой. В одном его уголке идёт химическая реакция, которую нужно рассчитать с ювелирной точностью. Но вода вокруг не просто декорация: её молекулы толкаются, притягиваются и влияют на реакцию. Как учесть этот бесконечный хоровод частиц, не утонув в вычислениях?

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.

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.

Два листа бумаги, сложенные вместе, при нагреве начинают едва заметно ползти друг по другу. Примерно так ведут себя слои дисульфида молибдена — материала толщиной в один атом. При комнатной температуре они самопроизвольно скользят со скоростью около метра в секунду.

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.

Магнит на холодильнике держится потому, что крошечные атомные стрелки внутри него выстроены в одном направлении. Но если эти стрелки начинают спорить друг с другом — одни тянут влево, другие вправо, третьи крутятся волчком — возникает магнитная фрустрация. Такой беспорядок рождает причудливые узоры: полосы, спирали, вихри.

Лист графена толщиной в один атом подвешен в воздухе, как натянутая простыня. По нему бегут волны тепла — колебания атомов, которые физики называют фононами. Раньше считалось, что эти волны быстро рассеиваются из-за сильного взаимодействия, и тепло передаётся плохо. Но эксперименты показывали обратное: тепло идёт лучше, чем по старым расчётам.

Лист графена толщиной в один атом — как гибкая металлическая сетка, по которой электроны носятся почти без препятствий. Сложите два таких листа с небольшим сдвигом, и свойства материала резко меняются: он может стать изолятором, не пропускающим ток.

Кристалл меняет свою внутреннюю геометрию, как каркас здания, который слегка перекашивается при землетрясении. В сплаве марганца и галлия (Mn₃Ga) при температуре около 485 Кельвинов (примерно 212°C) происходит магнитный переход: атомы выстраиваются в антиферромагнитный порядок, где соседние магнитные моменты направлены противоположно.

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.

Кристалл CeB6 похож на шкатулку с секретом: внутри него электроны могут занимать четыре почти одинаковых положения, как четыре кресла вокруг стола. Пока никто не смотрит, электрон словно сидит сразу на всех четырёх. Это скрытое состояние физики называют квадрупольным, и оно влияет на магнитные свойства, но увидеть его напрямую трудно.

Два слоя магнитного материала, повёрнутые друг относительно друга на доли градуса, — как две слегка сдвинутые решётки на окне. В обычном состоянии они не создают ничего особенного, но при определённом угле поворота в материале возникает неожиданный эффект.

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.

Обычный сверхпроводник выталкивает магнитное поле, а это кольцо, наоборот, создаёт его внутри себя. Кольцо сделано из материала Fe(Te,Se) — соединения железа, теллура и селена, которое при очень низкой температуре теряет электрическое сопротивление.

В твёрдом теле атомы колеблются, передавая механические возмущения — звук. Иногда эта волна не бежит строго прямо, а завивается спиралью, подобно штопору, входящему в пробку. В обычных кристаллах такие «звуковые вихри» — или, точнее, фононы с орбитальным угловым моментом — известны, но в магнитных материалах их долго не удавалось зарегистрировать.

Согласно теориям, выходящим за рамки Стандартной модели — нашего лучшего описания элементарных частиц и их взаимодействий, — в первые мгновения после Большого взрыва рождались пары магнитных монополей. Это гипотетические частицы, несущие только один магнитный полюс — «север» или «юг», в отличие от привычных магнитов, где полюса неразлучны.

Альтермагнетики можно представить как бальный зал, где пары кружатся в разные стороны: сам зал неподвижен, но внутри кипит упорядоченное движение. Так и электронные спины — собственный момент вращения электронов — в этих материалах образуют сложные узоры, не создавая суммарной намагниченности.

Обычный сверхпроводник при охлаждении теряет сопротивление, и ток в нём течёт без потерь. Но в сверхтонких плёнках всё иначе: материал колеблется между обычным и сверхпроводящим состоянием, и в этом промежутке возникают странные волны сопротивления. Сопротивление то растёт, то падает, как будто кто-то поворачивает ручку громкости.

Кусок золота не притягивает скрепки. Но если взять тонкую плёнку из сплава гадолиния, золота и германия и начать её изгибать, в ней могут появиться магнитные области. Учёные сделали это не руками, а с помощью потока ионов гелия, который проникал в материал через узорчатую маску. Ионы гелия врезались в кристаллическую решётку и слегка растягивали её в одних местах сильнее, чем в других.

Магнит, который складывается из слоёв, как стопка блинов, — так устроен материал CrSBr. При низких температурах каждый слой намагничен, но соседние слои смотрят в противоположные стороны, и в сумме их магнитные поля гасят друг друга. Такой порядок называют антиферромагнитным, и он хрупкий: достаточно слегка нагреть материал, и слои размагничиваются.

Кристалл Ca2RuO4 похож на стопку тонких листов. Внутри каждого листа спины электронов выстроены в строгом порядке — как ряды солдат на плацу. Между листами связь слабая, и её знак можно перевернуть, слегка потянув кристалл в стороны. Когда кристалл растягивают, этот слабый межслойный контакт меняет знак, и весь магнитный узор перестраивается.

Скрученные слои атомов в материале образуют узор из крошечных участков — доменов, каждый из которых может быть наэлектризован в одну из двух сторон, как стрелка компаса, указывающая на север или юг. Раньше такие материалы изучали только целиком, измеряя сразу тысячи доменов, и их общее поведение было похоже на хор, где отдельные голоса не слышны.

Кристалл CeRh₂As₂ ведёт себя как переключатель: охладите его — и он станет сверхпроводником, а потом поднесите магнит — и он скачком перейдёт в другое сверхпроводящее состояние. Такое поведение редкость: большинство сверхпроводников имеют лишь одно состояние, а тут их два, разделённые резкой границей.

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.

Кристалл Fe₄Nb₂O₉ при охлаждении до -272°C превращается в магнитный узор, где атомные стрелки не выстраиваются в одну шеренгу, а расходятся веером. Это как если бы толпа людей замерла, но каждый смотрел в свою сторону, а не в затылок соседу. Такое расположение магнитных моментов называют неколлинеарным, и именно оно, как выяснилось, отвечает за необычное поведение материала.

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.

Кристалл охладили до минус 228 градусов по Цельсию — и на его поверхности проступил узор, как иней на стекле. Только рисует его не влага, а магнитное поле: крошечные частицы железа, взвешенные в жидкости, оседают на намагниченных участках и показывают их расположение. Так работает метод, которым воспользовались авторы исследования. Узор оказался двухэтажным.

Обычный магнитный компас замирает, когда рядом бьёт молния. Резкий скачок магнитного поля сбивает стрелку с толку. Похожая проблема мешала учёным измерять магнетизм материалов в сильных импульсных полях — таких, что включаются на тысячную долю секунды. Новая установка решает эту задачу с помощью лазерного луча.

Графен — это лист углерода толщиной в один атом. Если нарезать его на узкие полоски, получатся графеновые наноленты. Их свойства зависят от того, как именно полоска скроена: словно из одного куска ткани можно сшить и гладкую скатерть, и складчатую юбку. В новой работе химики собрали ленту несимметричной формы.

Крошечные магнитные стрелки внутри кристалла тербий-иридиевого оксида ведут себя странно: вместо того чтобы лечь вдоль своей любимой оси, они встают поперёк. Такое состояние полностью формируется при охлаждении до 1,5 Кельвина — это холоднее, чем в открытом космосе. Исследователи просветили кристалл нейтронами и увидели, как эти перевёрнутые стрелки колеблются и обмениваются энергией.

В 1903 году Фриц Гейслер открыл сплав Cu₂MnAl, который вёл себя как магнит, хотя ни один из составляющих его металлов магнитом не был. С тех пор семейство гейслеровых сплавов разрослось до трёх тысяч соединений, и среди них Co₂FeGe — материал, который притягивает внимание физиков своей высокой температурой Кюри и перспективами в спинтронике.