В слое толщиной атом обнаружили магнитные торнадо — размером несколько нанометров. Физики ждали этого полвека

Когда кристалл истончают до слоя толщиной в один атом, привычные свойства материала начинают меняться самым неожиданным образом. Физики из Техасского университета в Остине показали, что в таком предельно тонком магните может возникать целая цепочка редких магнитных состояний, которую десятилетиями описывали теоретики. Их работу можно считать первым экспериментом, где эту последовательность удалось проследить полностью, от одной фазы к другой, в рамках одной и той же двумерной системы.

Исследователи работали с ультратонким слоем никель-фосфор-трисульфида, NiPS3. Материал постепенно охлаждали почти до абсолютного нуля и следили за тем, как меняется поведение магнитных моментов атомов, то есть микроскопических магнитных стрелок, задающих локальное направление намагниченности.

При температуре примерно от -150 до -130 °C слой вошёл в особое состояние, известное как фаза Березинского-Костерлица-Таулеса, или BKT-фаза. В этом режиме магнитные моменты образуют вихревые структуры. Одни вихри закручены в одну сторону, другие в противоположную, и такие пары остаются связанными. Для двумерной физики это одно из самых необычных состояний, потому что порядок здесь устроен не так, как в обычных магнитах, где все моменты просто выстраиваются в одном направлении.

Интерес к BKT-фазе связан ещё и с размерами таких структур. Теория предсказывает, что магнитные вихри в этом состоянии очень устойчивы, занимают по плоскости всего несколько нанометров и при этом существуют в слое толщиной всего в один атом. Такая комбинация делает их особенно любопытными для наноразмерных устройств: объект получается одновременно крошечным, стабильным и хорошо локализованным.

Затем, при дальнейшем охлаждении, материал перешёл во вторую фазу. На этом этапе магнитные моменты уже не образуют только связанные вихревые пары, а выбирают одно из шести равноправных направлений. Такое состояние в теории описывает модель часов с шестью состояниями, предложенная ещё в 1970-х годах для двумерных магнитных систем. Раньше физикам удавалось по отдельности увидеть либо признаки BKT-перехода, либо низкотемпературное упорядоченное состояние. В новом эксперименте обе стадии впервые проявились последовательно в одном и том же материале.

Именно поэтому работа так важна для фундаментальной физики. Исследование не просто добавило ещё один красивый эффект в список необычных свойств ультратонких кристаллов. Впервые ученые увидели полный сценарий, который много лет существовал в виде теоретической схемы: сначала в двумерном магните появляются связанные вихри, а затем система переходит в состояние с фиксированным набором допустимых направлений намагниченности.

Фаза Березинского-Костерлица-Таулеса названа в честь Вадима Березинского, а также Майкла Костерлица и Дэвида Таулеса, получивших Нобелевскую премию по физике 2016 года за описание подобных топологических переходов. Такие состояния особенно интересны тем, что важную роль в них играет не обычный порядок, а топология, то есть общая структура конфигурации, которая остаётся устойчивой даже при локальных возмущениях.

Авторы работы отдельно подчёркивают практический смысл результата. Нанометровые магнитные вихри в атомарно тонком слое могут стать основой для новых способов управления магнетизмом на предельно малых масштабах. Сам принцип уже выглядит важным для будущих сверхкомпактных устройств, в которых решающими будут размеры элемента, устойчивость состояния и возможность точно управлять магнитной конфигурацией.

Дальнейшие планы команды связаны с температурой. Сейчас необычные фазы возникают только при сильном охлаждении, что ограничивает любые практические применения. Исследователи собираются искать такие сочетания свойств материала, при которых похожие магнитные состояния удастся стабилизировать при всё более высоких температурах, в идеале вплоть до комнатной. Нынешний результат даёт для такой работы опорную точку: теперь понятно, какие условия нужно воспроизвести и к какой последовательности фаз стремиться.

Более того, работа с NiPS3 важна ещё и потому, что она, вероятно, не ограничивается одним материалом. Авторы считают, что похожие, до сих пор не изученные магнитные фазы могут скрываться и в других двумерных магнитах.