Физики 50 лет верили в плоские магнитные вихри на слово. Пришлось заморозить атомарный кристалл, чтобы увидеть теорию вживую

Физики из Университета Техаса в Остине экспериментально проверили идею, появившуюся ещё в 1970-х годах, о том, как должен вести себя магнетизм в предельно тонких материалах. В массивном железе или никеле магнитные моменты атомов обычно выстраиваются согласованно, поэтому вещество становится магнитом. В слое толщиной в один атом такой порядок держится хуже: тепловые колебания легче его разрушают, а вместо простой намагниченности проявляются другие магнитные режимы. Подходящим материалом оказался никель-фосфор-трисульфид NiPS3. На нём исследователи впервые проследили на одном образце всю последовательность состояний, которую теория описывала десятилетиями.

Ключевыми стали два перехода, которые появляются при охлаждении до очень низких температур. Под переходом здесь понимают смену внутреннего порядка: выше определённого порога спины ведут себя одним образом, ниже порога перестраиваются. Оба перехода уже фиксировали и раньше, но по отдельности. В одних экспериментах удавалось увидеть только первый шаг, в других наблюдали лишь второй. Для NiPS3 исследователи впервые зарегистрировали обе стадии подряд и в той последовательности, которую предсказывала модель.

Эксперимент проводили на монослоях NiPS3. При охлаждении примерно до диапазона от −150 до −130 °C образец входил в фазу Березинского–Костерлица–Таулеса, или BKT. Спин можно представить как маленькую стрелку, которая показывает направление локального магнетизма у каждого атома. В обычном ферромагните такие стрелки ориентированы почти одинаково. В BKT-состоянии общего выравнивания нет, зато появляются вихревые структуры: если мысленно обойти область вокруг их центра, направление спинов будет постепенно меняться и за полный круг повернётся на 360 градусов.

Для BKT важна одна особенность: вихри возникают парами. Каждый вихрь представляет собой область, где направления спинов плавно поворачиваются вокруг центра. В одной области поворот идёт по часовой стрелке, в другой – против. Вихри удерживаются рядом, потому что одиночный вихрь в двумерной системе требует слишком большой энергии. Материалу проще сохранить связанную пару, чем допустить существование отдельного дефекта. Поэтому BKT-переход отличается от привычного сценария, где магнит просто усиливается или ослабевает: решающим становится вопрос, остаются ли вихри связанными попарно или начинают расходиться.

В описаниях BKT часто используют слово топологический. В данном контексте оно означает, что важен общий тип конфигурации, а не точное направление каждого спина. Пока вихревые структуры связаны попарно, убрать такую картину небольшими локальными изменениями не получится, нужна перестройка всей структуры. Для технологий такой класс устойчивых состояний интересен тем, что подобные конфигурации хуже сбиваются случайными возмущениями.

Руководитель исследования Эдоардо Балдини обращает внимание на две вещи: вихри получаются устойчивыми и при этом очень малыми. По расчётам поперечник должен составлять всего несколько нанометров, при том что сам материал имеет толщину в один атомный слой. Нанометр – миллиардная доля метра, поэтому размер сопоставим с деталями современной наноэлектроники. Если научиться управлять появлением и исчезновением таких вихрей, магнетизм можно будет контролировать на нанометровом масштабе.

При дальнейшем охлаждении NiPS3 переходил во вторую фазу, которую описывает часовая модель с шестью возможными направлениями. В этой модели спин ведёт себя как стрелка на циферблате, только стрелка может указывать не куда угодно, а лишь в заранее заданные стороны. Для NiPS3 таких направлений шесть, потому что их задаёт симметрия кристаллической решётки. Ниже определённой температуры спины перестают свободно менять ориентацию и закрепляются в одном из этих шести вариантов.

Разница между фазами сводится к тому, что именно задаёт поведение материала. В BKT-состоянии картину определяют вихри и то, остаются ли они связанными попарно. Во второй фазе система выбирает одно из шести направлений и удерживает дискретный порядок, поэтому вихри перестают быть главным элементом. Теория 1970-х как раз предсказывала такую последовательность для двумерного магнита в часовой модели с шестью направлениями: сначала BKT, затем упорядоченное состояние. Эксперименты на NiPS3 впервые показали оба шага подряд на одном образце.

Авторы считают, что похожие режимы могут быть и у других двумерных магнитов, но их трудно увидеть без точного выбора материала и температур. Если научиться управлять нанометровыми вихрями, такие структуры могут пригодиться в сверхкомпактных устройствах. В первую очередь речь о магнитной памяти и логике: чем меньше устойчивое состояние, тем плотнее можно размещать элементы хранения и вычислений.

Пока оба режима проявляются только при сильном охлаждении, на уровне криогенной лаборатории. Следующая задача – сдвинуть эти состояния к более высоким температурам и приблизиться к комнатным условиям. Если получится расширить рабочий диапазон, двумерные магниты с вихревыми структурами станут интересны не только как фундаментальный эффект, но и как база для практических решений.