Протягом десятиліть фізики вважали, що вони мають повну карту магнітного світу. Вони розуміли природу феромагнетиків (магнітів, які тримають ваші фотографії на холодильнику) та антиферомагнетиків (матеріалів, в яких магнітні спини компенсують один одного, що робить їх, здавалося б, «некорисними» для більшості технологій).
Проте недавня серія проривних відкриттів виявила третю, набагато більш універсальну категорію: альтермагнетики. Ці матеріали ховалися у всіх на увазі, маскуючись під звичайні антиферомагнетики, але вони мають «суперздатності», які можуть революціонізувати способи зберігання даних та живлення наступного покоління обчислювальних систем на базі ІІ.
Загадка «невидимого» магніту
Відкриття розпочалося не з нового матеріалу, а з математичної загадки. У 2018 році дослідники, які вивчали діоксид рутенія — відомий антиферомагнетик — помітили щось неможливе: матеріал виявляв аномальний ефект Холла.
Зазвичай цей ефект є характерною ознакою феромагнетиків, де електричний струм створює значну напругу завдяки сумарному магнітному полю. Оскільки у діоксиду рутенію сумарного магнітного поля немає, вчені запитали себе: як матеріал без магнетизму може поводитися так, ніби має потужну магнітну силу?
Відповідь було знайдено над самому магнетизмі, а геометрії атомів.
Симетрія: секретний інгредієнт
Щоб зрозуміти альтермагнетики, потрібно розібратися в понятті “симетрії”. У фізиці симетрія визначає, як об’єкт залишається постійним при його повороті, відображенні чи переміщенні.
- Феромагнетики порушують «симетрію щодо обігу часу». Якщо теоретично звернути час назад (перевернувши всі спини електронів), магніт зміниться – його північний і південний полюси зміняться місцями. Це створює макроскопічне магнітне поле.
- Антиферомагнетики мають високу симетрію. Якщо перевернути їх спини, вони будуть виглядати так само, як у вихідному стані. Через таку високу симетрію їм не вистачає «спрямованості», необхідної для багатьох високотехнологічних додатків.
- “Альтермагнетики” займають унікальне проміжне положення. За допомогою складних обчислень на суперкомп’ютерах дослідники виявили, що у певних матеріалах електронні хмари деформуються під впливом сусідніх атомів. Ця деформація створює специфічний візерунок, у якому спини прив’язані до фізичної форми кристалічних ґрат.
Завдяки цій «порушеній симетрії» альтермагнетики діють як гібрид. У них немає сумарного магнітного поля (як у антиферомагнетика), але вони здатні поляризувати електричні струми (як феромагнетик). Саме ця унікальна комбінація дала їм назву: альтермагнетизм.
Чому це важливо для майбутнього технологій
Час цього відкриття є критично важливим. Зараз ми перебуваємо в розпалі вибухового зростання даних, викликаного ІІ. Центри обробки даних споживають колосальну кількість електроенергії, а попит більш швидку і енергоефективну пам’ять стрімко зростає.
Відкриття альтермагнетиків відкриває шлях до нової ери спінтроніки :
– Ефективність: Сучасні пристрої зберігання даних (наприклад, жорсткі диски) покладаються на феромагнетики. Альтермагнетики можуть забезпечити набагато вищу швидкість перемикання та нижче енергоспоживання.
– Щільність: Оскільки альтермагнетики не створюють сильних зовнішніх магнітних полів, їх можна розміщувати набагато щільніше один до одного без взаємних перешкод, що потенційно призведе до створення набагато більш ємних чіпів пам’яті.
– Нові можливості: Вони дозволяють використовувати «спін-поляризовані» струми — по суті, використовуючи «спин» електрона, а не лише його заряд, для перенесення інформації, що набагато ефективніше за традиційну електроніку.
Пошук ідеального кристала
У таких лабораторіях, як MIT, робота перейшла від теорії до мікроскопічного полювання. Дослідники тепер шукають специфічні, атомарно тонкі лусочки сполук — таких як бромід нікелю, які виявляють ці альтермагнітні властивості. Мета полягає в тому, щоб знайти «голку в стозі сіна»: єдиний кристал, досить тонкий, щоб його можна було використовувати в пристрої, який зрештою замінить або покращить кремнієві чіпи в наших автомобілях, побутовій техніці та серверах.
«Це як колись я був дитиною: мені довелося надіти окуляри… і в той момент, коли я їх одягнув, я зрозумів, як багато я не бачив раніше». – “Рафаель Фернандес, фізик”
Висновок
Відкриття альтермагнетизму доводить, що навіть добре відомі матеріали можуть зберігати глибокі таємниці. Розуміючи приховану геометричну симетрію атомів, вчені відкривають новий клас матеріалів, які можуть перевизначити межі обчислювальної потужності та енергоефективності.
