В муаре, полученном в ETH, спины электронов неупорядочены, если на каждый узел решетки приходится ровно один электрон (слева). Как только электронов становится больше, чем узлов решетки (справа), и пары электронов могут образовывать дублоны (красный), спины выравниваются ферромагнитно, поскольку это минимизирует кинетическую энергию. 
Кредит: ETH Цюрих

Чтобы магнит прилип к дверце холодильника, несколько физических эффектов внутри него должны идеально работать вместе. Все магнитные моменты его электронов направлены в одном направлении, даже если никакое внешнее магнитное поле не заставляет их делать это.

Это происходит из-за так называемого обменного взаимодействия — сочетания электростатического отталкивания между электронами и квантовомеханических эффектов спинов электронов, которые, в свою очередь, ответственны за магнитные моменты . Это распространенное объяснение того факта, что некоторые материалы, такие как железо или никель, являются ферромагнитными или постоянно магнитными, если их не нагревать выше определенной температуры.

В ETH в Цюрихе группа исследователей под руководством Атача Имамоглу из Института квантовой электроники и Юджина Демлера из Института теоретической физики обнаружила новый тип ферромагнетизма в искусственно созданном материале, в котором выравнивание магнитных моментов происходит совершенно по-другому. Недавно они опубликовали свои результаты в журнале Nature.

Искусственный материал с электронным наполнением

В лаборатории Имамоглу доктор философии. Студент Ливио Чорчаро, аспирант Томаш Смоленский и его коллеги создали специальный материал, поместив атомарно тонкие слои двух разных полупроводниковых материалов (диселенида молибдена и дисульфида вольфрама) друг на друга.

В плоскости контакта разные постоянные решетки двух материалов — расстояние между их атомами — приводят к образованию двумерного периодического потенциала с большой постоянной решетки (в тридцать раз большей, чем у двух полупроводников), что может заполниться электронами под действием электрического напряжения.

«Такие муаровые материалы вызвали большой интерес в последние годы, поскольку их можно очень хорошо использовать для исследования квантовых эффектов сильно взаимодействующих электронов», — говорит Имамоглу. «Однако до сих пор об их магнитных свойствах было известно очень мало».

Чтобы исследовать эти магнитные свойства, Имамоглу и его коллеги измерили, является ли муаровый материал для определенного электронного заполнения парамагнитным со случайно ориентированными магнитными моментами или ферромагнитным. Они осветили материал лазерным светом и измерили, насколько сильно свет отражается при различных поляризациях.

Поляризация указывает, в каком направлении колеблется электромагнитное поле лазерного луча, и в зависимости от ориентации магнитных моментов — и, следовательно, спинов электронов — материал будет отражать одну поляризацию сильнее, чем другую. По этой разнице можно затем рассчитать, направлены ли спины в одном или в разных направлениях, из чего можно определить намагниченность.

Яркие доказательства

Постепенно увеличивая напряжение, физики наполнили материал электронами и измерили соответствующую намагниченность. Вплоть до заполнения ровно одного электрона на узел муаровой решетки (также известной как изолятор Мотта) материал оставался парамагнитным. Пока исследователи продолжали добавлять электроны в решетку, произошло нечто неожиданное: материал внезапно стал вести себя очень похоже на ферромагнетик.

«Это было поразительное свидетельство существования нового типа магнетизма, который нельзя объяснить обменным взаимодействием», — говорит Имамоглу. Фактически, если бы обменное взаимодействие было ответственным за магнетизм, это должно было бы проявиться при меньшем количестве электронов в решетке. Таким образом, внезапное начало указывало на другой эффект.

Кинетический магнетизм

Юджину Демлеру в сотрудничестве с постдоком Иваном Морерой наконец пришла в голову решающая идея: они могли бы рассмотреть механизм, который японский физик Йосуке Нагаока теоретически предсказал еще в 1966 году. В том же направлении электроны минимизируют свою кинетическую энергию (энергию движения), которая значительно превышает обменную энергию.

В эксперименте, проведенном исследователями ETH, это происходит, как только внутри муарового материала оказывается более одного электрона на каждый узел решетки. Как следствие, пары электронов могут объединяться, образуя так называемые дублоны. Кинетическая энергия минимизируется, когда дублоны могут распространяться по всей решетке посредством квантовомеханического туннелирования.

Однако это возможно только в том случае, если одиночные электроны в решетке выстраивают свои спины ферромагнитно, поскольку в противном случае нарушаются эффекты квантово-механической суперпозиции, которые обеспечивают свободное расширение дублонов.

«До сих пор такие механизмы кинетического магнетизма были обнаружены только в модельных системах, например, в четырех связанных квантовых точках», — говорит Имамоглу, — «но никогда в расширенных твердотельных системах, подобных той, которую мы используем».

В качестве следующего шага он хочет изменить параметры муаровой решетки , чтобы выяснить, сохраняется ли ферромагнетизм при более высоких температурах; в текущем эксперименте этот материал все равно пришлось охладить до десятой доли градуса выше абсолютного нуля.