В НИТУ «МИСиС» впервые показали гигантское спин-орбитальное взаимодействие в антиферромагнетиках — Naked Science
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.
Вчера, 09:28
Сергей Васильев

Окаменелости возрастом более 3,4 миллиарда лет могут быть остатками микробов-архей, живших и выделявших метан у гидротермальных источников на дне ископаемого моря.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

11 часов назад
Мария Азарова

Проект назвали в честь Галилео Галилея — итальянского ученого эпохи Возрождения, который задействовал разработанный им телескоп для наблюдения за астрономическими объектами, такими как луны Юпитера, кратеры спутника Земли и кольца Сатурна. Пока программа получила финансирование в 1,75 миллиона долларов, но возглавляющий ее профессор Ави Леб надеется на большее.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

25 июля
Мария Азарова

Ученые подтвердили связь между коронавирусной инфекцией и снижением когнитивных способностей на основе анализа данных более чем 81 тысячи человек.

Вчера, 09:28
Сергей Васильев

Окаменелости возрастом более 3,4 миллиарда лет могут быть остатками микробов-архей, живших и выделявших метан у гидротермальных источников на дне ископаемого моря.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

13 июля
Ольга Иванова

Международная команда ученых идентифицировала ДНК из почвы в грузинской пещере. Благодаря этому исследователям удалось восстановить геном человека возрастом 25 тысяч лет, не имея никаких скелетных останков.

8 июля
Василий Парфенов

Подросток из бельгийского города Остенде стал вторым самым юным обладателем высшего образования в обозримой истории. Он с отличием окончил курс физики в Антверпенском университете и теперь собирается защитить магистерскую степень, а затем и докторскую диссертацию в этой области. Цель у него простая и понятная: увеличение продолжительности жизни человека вплоть до полного бессмертия за счет замены частей тела и органов механическими или искусственными.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
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: