В НИТУ «МИСиС» впервые показали гигантское спин-орбитальное взаимодействие в антиферромагнетиках — Naked Science
9 минут
НИТУ «МИСиС»

В НИТУ «МИСиС» впервые показали гигантское спин-орбитальное взаимодействие в антиферромагнетиках

4.5

Ученые НИТУ «МИСиС» в составе международного исследовательского коллектива впервые продемонстрировали существование в антиферромагнетиках так называемого зеемановского спин-орбитального взаимодействия. Открытие может лечь в основу действия электронных приборов нового поколения.

Новый тип спин-орбитального взаимодействия / ©Пресс-служба НИТУ «МИСиС»

Исследование опубликовано в журнале npj Quantum Materials. Носитель тока в металлах и полупроводниках – электрон – имеет две фундаментальных характеристики: электрический заряд и магнитный момент, или «спин». Заряд позволяет управлять движением электрона и лежит в основе действия большинства современных электронных приборов. Спин же, в отличие от заряда, – не только фундаментальная характеристика, но и квантовая степень свободы.

Уже довольно давно ученым и инженерам всего мира не дает покоя идея создания нового поколения электронных приборов – таких, которые, наравне с зарядом электрона, использовали бы его спин. Эта область исследований – одновременно фундаментальных и прикладных, получила название «спинтроники» (spintronics). В перспективе спинтронные устройства позволят значительно увеличить скорость передачи информации и плотность ее записи на носители. Ожидается, что такие устройства, в силу их двухкомпонентной природы, найдут применение в квантовых компьютерах будущего.

При этом создание подобных приборов требует углубленного понимания явлений, связывающих спин электрона с его перемещением в пространстве – так называемого «спин-орбитального взаимодействия». Во многих соединениях спин-орбитальное взаимодействие оказывается слабым или требует использования тяжелых элементов, порождающего дополнительные трудности.

Одним из путей преодоления этих трудностей могло бы стать использование антиферромагнитных проводников: уже довольно давно было предсказано, что в таких веществах магнитное поле должно порождать спин-орбитальное взаимодействие весьма необычной природы. Это явление должно происходить от так называемого эффекта Зеемана, то есть от расщепления квантовых уровней электрона в магнитном поле. Дополнительное технологическое преимущество зеемановского спин-орбитального взаимодействия состоит в том, что его силу можно регулировать, меняя приложенное магнитное поле. Однако, до недавнего времени никаких экспериментальных подтверждений этому явлению не было.

В своей работе международный исследовательский коллектив с участием профессора НИТУ «МИСиС» Павла Григорьева впервые в мире экспериментально доказал существование зеемановского спин-орбитального взаимодействия. Более того, эффект удалось продемонстрировать в двух очень разных веществах: в органическом сверхпроводнике и высокотемпературном сверхпроводнике, принадлежащем к важному семейству рекордсменов высокотемпературной сверхпроводимости (купратов).

Структура, физика и механизмы антиферромагнетизма в этих веществах совершенно различны, что демонстрирует универсальный характер зеемановского спин-орбитального взаимодействия. В то же время, каждое из этих двух соединений представляет фундаментальный интерес, поскольку большинство существующих в настоящий момент квантовых вычислительных систем используют сверхпроводящие элементы.

2D-поверхность Ферми κ- БЕТС в парамагнитной и антиферромагнитной фазах / ©www.nature.com

Столь же фундаментальный интерес представляет и само явление зеемановского спин-орбитального взаимодействия. «Продемонстрированный в нашей работе механизм может быть заметно сильнее обычного спин-орбитального взаимодействия, что открывает перспективы разработки электронных приборов принципиально нового типа – например, использующих возбуждение спиновых переходов переменным электрическим, а не магнитным полем», – поясняет Павел Григорьев, профессор кафедры Теоретической физики и квантовых технологий НИТУ «МИСиС», старший научный сотрудник Института теоретической физики имени Л. Д. Ландау РАН.

Попутно в работе продемонстрирован (теоретически и экспериментально) интересный эффект, что в антиферромагнитных металлах эффективный g-фактор, определяющий зеемановское расщепление уровней энергии, обычно равен нулю в силу симметрии. То есть уровни энергии электронов в магнитном поле вообще не расщепляются из-за наличия их собственного магнитного момента. Это утверждение неожиданно, поскольку собственный магнитный момент электрона, приводящий к зеемановскому расщеплению, никуда не может исчезнуть.

Разрешение парадокса заключается в том, что квантовые уровни энергии электронов в магнитном поле предполагают полный оборот электрона по замкнутой орбите (из-за силы Лоренца). И в антиферромагнетиках на половине этой траектории электрон имеет спин вверх (по магнитному полю), а на половине спин вниз (противоположно полю). В итоге в среднем его магнитный момент равен нулю. Этот эффект важен для правильного определения электронной структуры различных соединений с помощью экспериментов в сильном магнитном поле.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» — российский технический университет; первый вуз в стране, получивший статус «Национального исследовательского технологического университета», лучший вуз России 2019 года по версии Forbes Россия. Сегодня в состав НИТУ «МИСиС» входят 9 институтов и 6 филиалов, 4 из которых работают в России и 2 за рубежом.
Сегодня, 11:44
2 минуты
Илья Ведмеденко

Сегодня, в 13:15 (мск), NASA начнет трансляцию исторического события: первого полета вертолета Ingenuity, доставленного на Марс вместе с планетоходом Perseverance. Посмотреть трансляцию можно на нашем сайте.

Позавчера, 21:00
7 минут
Василий Парфенов

Уже этой осенью в путешествие отправится крупнейший из созданных человеком космических телескопов — JWST. Он не только сменит на «посту» стремительно устаревающего «Хаббла», но и существенно раздвинет границы нашего понимания Вселенной. Американские астрономы с помощью моделирования показали, насколько быстро этот научный инструмент сможет обнаружить биосигнатуры в атмосферах планет у других звезд.

9 часов назад
9 минут
Александр Березин

Судя по отсутствию человека на водительском сиденье, машиной управлял автопилот. В теории он отслеживает наличие человека за рулем и без него не едет. Но на практике человек всегда может обмануть компьютер. Неспособность компьютера контролировать человека в описываемом случае привела к печальным последствиям. Несмотря на это, по последним данным, автопилот Tesla снижает риск попасть в аварию в девять раз. Впрочем, с одним нюансом.

16 апреля
4 минуты
Илья Ведмеденко

Исследователи установили, что обнаруженный в Баренцевом море объект — погибшая советская субмарина типа «Крейсерская». Это одна из самых больших подлодок СССР периода Второй мировой.

16 апреля
8 минут
Александр Березин

Исследователь из Гарварда проанализировал вероятность полного оледенения всей поверхности — включая экватор — для планет земного типа. Оказалось, это частый сценарий. И он может быть причиной уничтожения всей сложной жизни. Работа показывает неожиданную уязвимость нашей планеты для такого хода событий. По расчетам, в последние 20 тысяч лет Земля прошла буквально в нескольких градусах от полного и постоянного оледенения, исключающего выживание крупных наземных многоклеточных.

Позавчера, 21:00
7 минут
Василий Парфенов

Уже этой осенью в путешествие отправится крупнейший из созданных человеком космических телескопов — JWST. Он не только сменит на «посту» стремительно устаревающего «Хаббла», но и существенно раздвинет границы нашего понимания Вселенной. Американские астрономы с помощью моделирования показали, насколько быстро этот научный инструмент сможет обнаружить биосигнатуры в атмосферах планет у других звезд.

25 марта
36 минут
Александр Березин

Улыбающийся мультимиллиардер планирует понять, насколько эффективно мел в стратосфере защищает планету от солнечного света, и если результат хорош, распылить его там в гигантских количествах. Потенциально это результативная задумка: ученые давно показали, что так можно добиться полного покрытия Земли устойчивыми льдами — вплоть до экватора. Увы, идея Гейтса — плагиат, причем не лучший. Советский исследователь предложил похожее полвека назад с более эффективной серой. Интереснее другое: подобные мероприятия один раз едва не уничтожили человечество. Разбираемся в деталях, а также в том, грозит ли нам повторение.

31 марта
51 минута
Александр Березин

Самый зловещий оружейный проект всех времен и народов — термоядерная торпеда, предназначенная для радиационного поражения огромных площадей и создания искусственного цунами. Никогда до этого ни одна страна даже не заявляла о намерении сделать нечто настолько опасное для живых существ. Поэтому российский проект «Посейдон», обещающий именно это, вызывает бурю эмоций. Однако тщательный технический анализ показывает: в реальности он будет совсем не таким, как об этом пишут в СМИ. Даже если он предназначен для радиационного поражения обширных площадей, оно не будет долгим. А уже через год «омытые» им районы будут абсолютно безопасны. Тем не менее новая система действительно изменит стратегический баланс на планете — но не так, как все думают. Попробуем разобраться в ситуации подробнее.

26 марта
12 минут
Василий Парфенов

Похоже, история с американскими военными и «неопознанными воздушными феноменами» только набирает обороты. Новое расследование раскрыло многократные встречи нескольких кораблей Военно-морского флота Соединенных Штатов с аномально ведущими себя летательными аппаратами. Причем происходило это вне пределов досягаемости для любого коммерческого дрона или иного известного компактного БПЛА.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: