В оксителлуриде урана UOTe, известном с 1960-х, обнаружили скрытый атомный рисунок: слои кристалла слегка смещаются и складываются в хиральную сверхрешётку с правой или левой закруткой. Небольшая перестройка резко меняет поведение электронов и позволяет антиферромагнетику с почти нулевой намагниченностью создавать спин-поляризованный ток, который интересен разработчикам магнитной памяти.
Необычную структуру удалось разглядеть при помощи электронной и сканирующей туннельной микроскопии. Атомы UOTe занимают не совсем те положения, которые предполагает простая кристаллическая модель. Смещения повторяются через несколько ячеек и образуют более крупный узор, или сверхрешётку. Причём закрутка имеет определённое направление, поэтому физики называют структуру хиральной.
Авторы показали, что рисунок возникает из-за застывших хиральных фононов. Фононами физики называют кванты коллективных колебаний атомов в твёрдом теле. В UOTe соответствующее движение не исчезает после колебания: атомы остаются немного сдвинутыми, а кристалл сохраняет волнообразную закрутку.
Для электронов разница оказывается принципиальной. Если убрать сверхрешётку из расчётной модели, UOTe не даёт ни заметной кривизны Берри, ни расщепления электронных зон по спину. Когда атомная закрутка возвращается, электронные состояния перестраиваются. Проще говоря, кристалл начинает по-разному направлять электроны в зависимости от их квантовых свойств.
Физики проверили эффект по электрическому отклику материала. Около 150 К, или примерно −123 °C, магнитный порядок и атомная сверхрешётка вместе создавали аномальный угол Холла около 0,14. Значение входит в число крупнейших, полученных для объёмных магнитных материалов. Сам эффект Холла проявляется как поперечное отклонение движущихся зарядов, которое можно заметить по напряжению между краями образца.
Ещё один эксперимент показал спин-поляризованный ток. В обычном коллинеарном антиферромагнетике магнитные моменты соседних атомов направлены в противоположные стороны и почти полностью компенсируют друг друга. Поэтому заставить такой материал выдавать поток электронов с выраженной ориентацией спинов трудно. Хиральная сверхрешётка UOTe снимает это ограничение.
Для спинтроники результат особенно интересен. Обычная электроника в основном опирается на электрический заряд, а спинтронные устройства пытаются использовать ещё и спин электрона. Антиферромагнетики привлекают разработчиков памяти слабой суммарной намагниченностью и потенциально быстрым переключением магнитных состояний. Готового накопителя на UOTe авторы не создавали, поэтому пока работа показывает новый физический механизм, а не технологию для серийных устройств.
Исследователи также попытались понять, почему сверхрешётка вообще появляется. Расчёты указывают на конкуренцию между связями внутри атомных слоёв и между соседними слоями. Кристалл немного изгибает структуру и тем самым находит более выгодное расположение атомов.
Поиск может продолжиться далеко за пределами одного соединения. Авторы насчитали около 500 веществ с родственной кристаллической структурой и предложили искать среди них похожие атомные перестройки. UOTe показывает, насколько много может скрываться в давно известном материале: основную структуру химики знали десятилетиями, но современные методы позволили увидеть дополнительный рисунок, который напрямую меняет его электронные и магнитные свойства.
