Ученые из Университета штата Флорида разработали новый тип кристаллического материала, демонстрирующий редкое и сложное магнитное поведение. Это открытие может проложить путь к созданию передовых технологий хранения данных и будущих квантовых устройств.
Результаты исследования, опубликованные в «Journal of the American Chemical Society», показывают, что смешение двух материалов с почти идентичным химическим составом, но совершенно разной кристаллической структурой, приводит к созданию совершенно новой гибридной решетки. Этот неожиданно полученный кристалл проявляет магнитные свойства, которые отсутствуют у обоих исходных компонентов.
Магнетизм зарождается на атомном уровне. В магнитных материалах каждый атом ведет себя как крошечный стержневой магнит благодаря свойству, называемому атомным спином. Спин можно представить как маленькую стрелку, указывающую направление магнитного поля атома. Когда множество атомных спинов выстраиваются в одном или противоположных направлениях, они создают магнитные силы, используемые в повседневных технологиях – от компьютеров до смартфонов. Однако новый материал ведет себя иначе: вместо упорядоченного расположения спины атомов организуются в сложные, повторяющиеся вихревые узоры, известные как спиновые текстуры.
Чтобы добиться такого эффекта, исследователи целенаправленно объединили два химически схожих, но структурно несовместимых соединения. Несовпадение кристаллических симметрий создает на границе их соприкосновения так называемую структурную «фрустрацию» – состояние, при котором система не может прийти к простому и стабильному состоянию. «Мы предположили, что эта структурная фрустрация может перейти в магнитную фрустрацию, – объясняет соавтор исследования Майкл Шатрук. – Если структуры конкурируют, возможно, это заставит спины закручиваться».
Команда проверила эту идею, соединив сплав марганца, кобальта и германия с другим, содержащим марганец, кобальт и мышьяк. Германий и мышьяк являются соседями в периодической таблице, что делает соединения химически близкими, но структурно различными. После кристаллизации смеси ученые подтвердили наличие искомых закрученных магнитных узоров – циклоидальных спиновых текстур, напоминающих скирмионы, которые сегодня находятся в центре внимания физиков и химиков.
Материалы со скирмионоподобными спиновыми текстурами обладают значительными технологическими преимуществами. Одно из потенциальных применений – создание жестких дисков нового поколения, способных хранить гораздо больше информации в том же физическом объеме. Кроме того, такими магнитными вихрями можно управлять с минимальными затратами энергии, что приведет к существенному снижению энергопотребления электронных устройств. В перспективе исследование может помочь в разработке отказоустойчивых квантовых компьютеров – систем, способных надежно защищать и обрабатывать квантовую информацию.
В отличие от предыдущих работ, где ученые искали нужные свойства в уже известных материалах, данное исследование использовало принципиально иной подход. Вместо поиска готовых примеров исследователи спроектировали новый материал с нуля, используя структурную фрустрацию как направляющий принцип для создания заданного магнитного поведения. «Это химическое мышление, – говорит Шатрук. – Мы думаем о том, как баланс между этими структурами влияет на их взаимоотношения, а затем – как это может отразиться на отношениях между атомными спинами». Этот подход может не только ускорить разработку, но и расширить спектр доступных материалов, снижая затраты и укрепляя производственные цепочки для передовых магнитных технологий.
