Физики раскрыли неожиданную закономерность в поведении квантовых материалов, которая может изменить наше понимание спиновой динамики. Виктор Риндерт из Лундского университета вместе с коллегами вывел и экспериментально подтвердил формулу, связывающую магнитную проницаемость вещества с частотами магнитного спинового резонанса. Открытие приближает создание нового поколения спинтронных устройств – электронных компонентов, использующих не заряд электрона, а его спин, что позволит достичь более высокого быстродействия при меньшем энергопотреблении.
До настоящего момента научное сообщество предполагало, что электрические и магнитные явления в материалах должны вести себя как зеркальные отражения друг друга. Этот вывод следовал из уравнений Максвелла – фундаментальных соотношений, описывающих единую природу электромагнитных явлений. Однако исследование выявило принципиальное различие между квантованными колебаниями кристаллической решетки (фононами) и спиновыми возбуждениями вроде парамагнитного и антиферромагнитного резонансов.
В твердых телах атомы совершают колебания относительно положений равновесия. Эти колебания не могут иметь произвольную энергию – они квантуются, то есть существуют только определенные разрешенные энергетические состояния. Кванты таких колебаний называются фононами. Когда через кристалл проходит звуковая или тепловая волна, она представляет собой поток фононов (так же, как и световая волна состоит из потока фотонов).
Спиновые возбуждения имеют совершенно иную природу. Спин – это собственный момент импульса элементарной частицы, который можно представить как вращение частицы вокруг своей оси.
В магнитном поле спины электронов начинают вращаться особым образом – не просто вокруг своей оси, а описывая конус, как детская юла, которая, вращаясь, покачивается из стороны в сторону. Физики называют такое движение прецессией. Его можно наблюдать не только у электронов – точно так же ведет себя обычный волчок под действием земной гравитации. Частота прецессии определяет магнитные свойства материала.
Итак, в чем же суть открытия? Классическая формула Лиддена-Сакса-Теллера для диэлектрической проницаемости содержит квадратичную зависимость от частот фононов. Это означает, что при удвоении частоты колебаний решетки соответствующий вклад в диэлектрическую проницаемость возрастает в четыре раза. В новой формуле для магнитной проницаемости зависимость оказалась линейной – удвоение частоты спиновой прецессии приводит к двукратному изменению отклика.
Такое различие отражает фундаментальное несходство между характером движения спинов и колебаниями ионов. Ионы в кристаллической решетке можно представить как систему связанных осцилляторов, где каждый атом связан с соседями упругими силами. Спины же ведут себя как микроскопические магнитные стрелки, стремящиеся выстроиться вдоль внешнего поля.
Для экспериментального подтверждения теории исследователи выбрали нитрид галлия – полупроводник с широкой запрещенной зоной, активно применяющийся в оптоэлектронике. В кристаллическую решетку внедрили атомы железа, создав парамагнитные центры. Каждый такой центр представляет собой ион железа, электроны которого обладают некомпенсированным спином.
Для измерения спектров парамагнитного резонанса примесных атомов железа применили уникальную методику с разрешающей способностью 10 килогерц при рабочей частоте 125 гигагерц. И это действительно парадоксальные показатели: как если бы при измерении расстояния от Земли до Луны погрешность составляла всего несколько миллиметров.
Ключевую роль здесь сыграла технология эллипсометрии с применением матрицы Мюллера. Этот метод позволяет полностью охарактеризовать состояние поляризации отраженного света – то, как колеблется электрический вектор световой волны. Матрица размером 4×4 содержит информацию обо всех возможных преобразованиях поляризации при взаимодействии света с веществом. Это дало возможность отделить эффекты, связанные с магнитными диполями, от влияния электрических диполей.
Статическую магнитную проницаемость измерили с помощью сверхпроводящего квантового интерферометра (SQUID) – крайне чувствительного прибора, способного регистрировать предельно слабые магнитные поля. Принцип его работы основан на эффекте Джозефсона – квантовом явлении, при котором электроны туннелируют через тонкий слой диэлектрика между сверхпроводниками.
В основу исследования легла теория, которую Феликс Блох разработал в 1946 году. Она описывает, как ведут себя спины атомов в магнитном поле. Согласно Блоху, каждый спин совершает два движения одновременно: вращается вокруг оси, постепенно наклоняясь в сторону силовых линий магнитного поля, будто стрелка компаса, ищущая север. Используя эту теорию, ученые впервые смогли точно измерить, как именно движутся спины и насколько сильно они влияют на магнитные свойства материала.
Новый метод особенно важен для изучения необычных материалов двух типов – антиферромагнетиков и альтермагнетиков. В антиферромагнетиках спины соседних атомов направлены в противоположные стороны, словно две стрелки компаса, показывающие на север и юг. Из-за этого общая намагниченность равна нулю, и обычные приборы такие материалы просто “не видят”. Еще сложнее устроены альтермагнетики: в них спины атомов выстраиваются под разными углами друг к другу, образуя замысловатые пространственные структуры.
Разработанная методика позволит создавать новые материалы с заданными характеристиками, оптимизировать характеристики спинтронных устройств и продвинуться в решении проблемы квантовых вычислений. В перспективе это может привести к появлению компьютеров, использующих для обработки информации не только заряд, но и спин электрона, что радикально повысит их производительность.