Свойства материалов могут кардинально меняться, когда их толщина уменьшается до одного атомного слоя. В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Materials, физики под руководством Техасского университета в Остине наблюдали последовательность необычных магнитных состояний в ультратонком материале. Эти эксперименты подтвердили давно существующую теоретическую модель двумерного магнетизма, предложенную еще в 1970-х годах. По мнению ученых, открытие может лечь в основу создания сверхкомпактных технологий, основанных на управлении магнетизмом в наномасштабах.
Наблюдаемая последовательность включает два важных изменения в магнитном поведении, которые происходят при охлаждении определенных материалов до температур, близких к абсолютному нулю. Хотя ранее ученые регистрировали каждый из этих переходов по отдельности, данное исследование стало первым, в котором удалось увидеть всю последовательность в рамках одной системы.
Для изучения этих эффектов исследователи охладили лист трисульфида никеля-фосфора (NiPS3) толщиной в один атом до температур в диапазоне от –150 до –130 °C. В этих условиях материал перешел в особое магнитное состояние, известное как фаза Березинского – Костерлица – Таулесса (БКТ). В этой фазе магнитные моменты – направления магнитных полей отдельных атомов – организуются в закрученные структуры, называемые вихрями. Эти вихри формируются парами, вращающимися в противоположных направлениях, и остаются тесно связанными друг с другом.
«Фаза БКТ особенно интересна, поскольку, согласно прогнозам, эти вихри исключительно стабильны и ограничены в пространстве несколькими нанометрами, занимая при этом слой толщиной всего в один атом, – объясняет Эдоардо Бальдини, руководитель исследования. – Благодаря своей стабильности и чрезвычайно малому размеру, эти вихри открывают новый путь к управлению магнетизмом на наноуровне». Теория, описывающая подобный фазовый переход, принесла физикам Вадиму Березинскому, Майклу Костерлицу и Дэвиду Таулессу Нобелевскую премию по физике в 2016 году.
Когда температура опускалась еще ниже, материал переходил во второе магнитное состояние – так называемую упорядоченную фазу «шестипозиционных часов». В этой конфигурации магнитные моменты атомов выстраиваются в одном из шести возможных симметричных направлений. Наблюдение как фазы БКТ, так и последующей упорядоченной фазы при более низкой температуре стало экспериментальным подтверждением теоретической модели «шестипозиционных часов» для двумерных систем, предложенной в 1970-х годах.
Теперь исследователи планируют изучить, как стабилизировать подобные магнитные фазы при более высоких температурах, в идеале – близких к комнатной. Результаты также предполагают, что многие другие двумерные магнитные материалы могут скрывать неизвестные ранее магнитные состояния. Это открывает перспективы для новых открытий в фундаментальной физике и разработки концепций наноразмерных электронных устройств будущего.