Необычные сверхбыстрые движения обнаружены в многослойных магнитных материалах

Группа исследователей под руководством Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США погрузилась в глубокое изучение антиферромагнитных материалов. Целью их исследований было понять, как эти материалы будут реагировать на определенное манипулирование электронными спинами — неотъемлемыми свойствами электронов. Задача состояла в том, чтобы определить, можно ли, возмущая эти спины, вызвать макроскопические изменения в материале. Если эксперимент удастся воспроизвести и подтвердить результаты, это может привести к различным применениям, в частности, в биомедицине.

«Электронный спин» — это свойство электронов, которое можно представить в виде вращающейся вершины. Направление этого вращения, часто изображаемое стрелкой, может быть различным, например, направленным вверх или вниз. В магнитных материалах все эти вращения обычно направлены в одну сторону, что придает всему материалу магнетизм (способность притягиваться магнитом). Однако существует и другой тип магнитных материалов: антиферромагнитные. В антиферромагнитном материале спины электронов направлены в разные стороны, создавая чередование, которое нивелирует магнитный эффект.

В данном исследовании, опубликованном в журнале Nature, ученые поставили перед собой задачу выяснить, как реагируют антиферромагнитные материалы на манипуляции со спинами. Такое любопытство небезосновательно. Эксперименты прошлых лет показали, что манипуляции со спином могут существенно влиять на поведение магнитных материалов. Ярким примером является эксперимент, проведенный физиками Альбертом Эйнштейном и Вандером де Хаазом, в котором простой железный цилиндр начал вращаться в ответ на инверсию магнитного поля, что отражало инверсию спинов его электронов. Возник вопрос: при такой очевидной реакции в ферромагнитных материалах какова будет реакция антиферромагнитных материалов на манипуляции со спинами?

Эксперимент с использованием FePS3

В качестве антиферромагнитного материала исследователи выбрали трисульфид фосфора железа (FePS3). Он характеризуется слоистой структурой, в которой каждый слой слабо взаимодействует с соседними. Ученые использовали лазерные импульсы, чтобы нарушить спин в материале. Для расшифровки реакций FePS3 сначала использовались оптические импульсы для изучения того, как материал пропускает свет, что позволило выявить изменения на молекулярном уровне. Затем с помощью рентгеновских лучей была изучена внутренняя структура FePS3. Наконец, с помощью импульсов электронов были получены дополнительные сведения об электронных свойствах материала.

Удивительные реакции

Одним из наиболее поразительных наблюдений стало изменение магнитных свойств материала. Если в обычном антиферромагнетике спины электронов выстраиваются попеременно вверх и вниз, то под воздействием лазерных импульсов они упорядочиваются.

Кроме того, FePS3 продемонстрировал удивительный механический отклик: один слой материала начал проскальзывать относительно соседнего. Это явление примечательно тем, что показывает, как возмущение в таком малом масштабе, как спин электрона, может привести к макроскопическим изменениям в структуре материала. Более того, исследователи обнаружили, что это проскальзывание между слоями происходит с головокружительной скоростью, колеблющейся между 10 и 100 пикосекундами. Чтобы представить себе эту скорость, можно сказать, что за одну пикосекунду свет проходит всего треть миллиметра.

Это открытие может найти инновационное применение в разработке устройств, требующих сверхточного и сверхбыстрого управления движением. Это относится, например, к созданию нанороботов, используемых для диагностики и малоинвазивной хирургии.