Идея статьи [1] пришла авторам из физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова при наблюдении за движением квадрокоптера, которое полностью определяется скоростью вращения винтов. В статическом положении квадрокоптера моменты импульсов двух диагональных винтов полностью компенсируются другой диагональю. Если же необходимо повернуть аппарат по часовой стрелке, то для этого нужно увеличить скорость вращения винтов, крутящихся против часовой стрелки: вследствие закона сохранения момента импульса корпус квадрокоптера повернется в противоположную сторону (рис. 1).

Рис. 1. Аналогия между антиферромагнетиком и квадрокоптером: спины двух магнитных подрешеток полностью уравновешивают друг друга,
как у квадрокоптера в статическом положении. При декомпенсации моментов количества движения винтов возникает вращение аппарата,
а при появлении разностной намагниченности подрешеток – макроскопическое вращение кристалла.

Подобно этому в антиферромагнетике спины двух магнитных подрешеток полностью уравновешивают друг друга (рис. 1). Если же вызвать декомпенсацию магнитных моментов подрешеток, то, вследствие эффекта Эйнштейна-де Гааза, возникновение намагниченности приведет к появлению и механического момента. Один из способов создать некомпенсированную намагниченность в антиферромагнетике – приложить электрическое поле, которое нарушит симметрию, чтобы одна из магнитных подрешеток получила преимущество.

Это явление известно как обратный магнитоэлектрический эффект с середины прошлого века, однако тот факт, что магнитоэлектрический эффект должен сопровождаться еще и магнитомеханическим вращением не привлекало внимание исследователей, по-видимому, из-за малости последнего.

Собственно, и в классическом опыте Эйнштейна-де Гааза еле уловимый поворот магнита наблюдался лишь при резонансе крутильного маятника, а детектировался с помощью самого чувствительного метода на начало 20 века – весов Кулона (по отклонению светового зайчика от зеркала, прикрепленного на оси вращения маятника).

Авторы статьи [1] предложили воспользоваться аналогом весов Кулона 21 века – оптической системой детектирования колебаний кантилевера в атомном силовом микроскопе, а сам кантилевер сделать из зажатого между графеновыми электродами ван-дер-ваальсова антиферромагнетика – графеноподобного материала, в котором магнитный момент одного слоя компенсируется соседним слоем (рис. 2). Прикладывая переменное электрическое напряжение к графеновым электродам, можно вызывать за счет магнитоэлектрического эффекта периодическое изменение магнитного момента, а вследствие магнитомеханической связи – также и вибрацию кантилевера.

Рис. 2. Микроэлектромеханическая система из ван-дер-ваальсова магнетика (показан синим), зажатого между графеновыми электродами (показаны серым). Длина L и ширина w кантилевера исчисляются микрометрами, толщина t – около десяти нанометров. На вставке показан двойной слой ван-дер-ваальсова антиферромагнетика, в котором спины ионов в соседних слоях компенсируют друг друга (показаны стрелками различных цветов). Красными штриховыми линиями показана элементарная ячейка, расстояние между линиями около 1 нм.

Теоретический анализ резонансных колебаний такой микроэлектромеханической системы показывает, что в “двумерном” антиферромагнетике, состоящем из пары мономолекулярных слоев, даже в условиях среднего вакуума (10⁻⁵ атмосфер) тепловые шумы будут подавлять полезный сигнал. Однако с увеличением толщины растет не только масса кантилевера, но и добротность (за счет большей жесткости кантилевера), в результате полезный сигнал при колебаниях кантилевера из десяти двойных слоев превысит на порядок тепловой шум при комнатной температуре.

Учитывая, что само детектирование электроиндуцированного эффекта Эйнштейна-де Гааза представляет вызов для экспериментатора, говорить об использовании этого явления в MEMS пока преждевременно, однако если вместо линейного магнитоэлектрического эффекта использовать фазовый переход антиферромагнетик-ферромагнетик (он действительно, имеет место в ван-дер-ваальсовых материалах, например в CrI3 [2]), то эффект увеличится тысячекратно. При этом, правда, встает вопрос будет ли такой фазовый переход происходить при периодическом воздействии на частоте 100 кГц (частота механических колебаний кантилевера) и без эффектов “усталости” – здесь слово за экспериментаторами.

А. Пятаков

1. M.A.Koliushenkov, A.P.Pyatakov, Europhys. Lett. 147, 36002 (2024).
2. S.Jiang et al., Nat. Mater. 17, 406 (2018).