Fyzici z Curychu objevili nový typ magnetismu

Výzkumníci z ETH Zurich objevili nový typ magnetismu v uměle vyrobeném materiálu. Materiál se stává feromagnetickým díky minimalizaci kinetické energie jeho elektronů.

Aby magnet přilnul ke dveřím lednice, musí uvnitř dokonale fungovat několik fyzických efektů. Magnetické momenty jeho elektronů směřují všechny stejným směrem, i když je k tomu nenutí žádné vnější magnetické pole. 

To se děje kvůli takzvané výměnné interakci, což je kombinace elektrostatického odpuzování mezi elektrony a kvantově mechanických účinků rotací elektronů, které jsou zase zodpovědné za magnetické momenty. Toto je běžné vysvětlení skutečnosti, že určité materiály jako železo nebo nikl jsou feromagnetické nebo permanentně magnetické, pokud je člověk nezahřeje nad určitou teplotu.

Na ETH v Curychu tým výzkumníků vedený Ataçem Imamoğluem z Ústavu pro kvantovou elektroniku a Eugenem Demlerem z Ústavu pro teoretickou fyziku nyní detekoval nový typ feromagnetismu v uměle vyrobeném materiálu, ve kterém dochází k vyrovnání magnetických momentů. asi úplně jiným způsobem. Své výsledky nedávno zveřejnili ve vědeckém časopise Nature: Ciorciaro L, Smolenski T, Morera I a kol. Kinetic Magnetism in Triangular Moaré Materials, Nature (2023), doi: externí stránka10.1038/s41586-023-06633-0call_made.

V Imamoğluově laboratoři vytvořili doktorand Livio Ciorciaro, postdoktorand Tomasz Smolenski a kolegové speciální materiál tak, že na sebe položili atomově tenké vrstvy dvou různých polovodičových materiálů (diselenid molybdenu a disulfid wolframu). V kontaktní rovině vedou různé mřížkové konstanty dvou materiálů, oddělení jejich atomů, k vytvoření dvourozměrného periodického potenciálu s velkou mřížkovou konstantou (třicetkrát větší než u obou polovodičů), která může být naplněn elektrony přivedením elektrického napětí. 

„Takové moaré materiály přitahují v posledních letech velký zájem, protože je lze velmi dobře použít ke zkoumání kvantových efektů silně interagujících elektronů,“ říká Imamoğlu. „Dosud však bylo známo velmi málo o jejich magnetických vlastnostech.“

Aby Imamoğlu a jeho spolupracovníci prozkoumali tyto magnetické vlastnosti, měřili, zda je pro určitý elektronový výplň moaré materiál paramagnetický, s jeho magnetickými momenty náhodně orientovanými, nebo feromagnetický. Osvětlili materiál laserovým světlem a měřili, jak silně se světlo odráží pro různé polarizace. 

Polarizace udává, kterým směrem kmitá elektromagnetické pole laserového světla, a v závislosti na orientaci magnetických momentů – a tedy rotací elektronů – bude materiál odrážet jednu polarizaci silněji než druhou. Z tohoto rozdílu lze pak vypočítat, zda spiny směřují stejným směrem nebo různými směry, z čehož lze určit magnetizaci.

V moaré materiálu produkovaném na ETH jsou spiny elektronů neuspořádané, pokud je na jednom místě mřížky přesně jeden elektron (vlevo). Jakmile je více elektronů než míst mřížky (vpravo) a páry elektronů mohou tvořit dublony (červená), spiny se feromagneticky vyrovnají, protože to minimalizuje kinetickou energii.

Neustálým zvyšováním napětí fyzici naplnili materiál elektrony a změřili odpovídající magnetizaci. Až do naplnění přesně jednoho elektronu na místo moaré mřížky (také známé jako Mottův izolátor) zůstal materiál paramagnetický. Jak výzkumníci neustále přidávali elektrony do mřížky, stalo se něco neočekávaného: materiál se najednou choval velmi podobně jako feromagnet.

„To byl pozoruhodný důkaz nového typu magnetismu, který nelze vysvětlit směnnou interakcí,“ říká Imamoğlu. Ve skutečnosti, pokud výměnná interakce byla zodpovědná za magnetismus, mělo by se to projevit také s menším počtem elektronů v mřížce. Náhlý nástup proto ukázal na jiný účinek.

Eugene Demler, ve spolupráci s post-doktorem, Ivanem Morerou, nakonec dostal zásadní nápad: mohli se dívat na mechanismus, který teoreticky předpověděl japonský fyzik, Yosuke Nagaoka, již v roce 1966. ve stejném směru elektrony minimalizují svou kinetickou energii (energii pohybu), která je mnohem větší než energie výměny. 

V experimentu provedeném výzkumníky ETH k tomu dojde, jakmile je uvnitř moaré materiálu více než jeden elektron na místo mřížky. V důsledku toho se páry elektronů mohou spojit a vytvořit takzvané dublony. Kinetická energie je minimalizována, když se dublony mohou rozšířit po celé mřížce pomocí kvantově mechanického tunelování. To je však možné pouze tehdy, pokud jednotlivé elektrony v mřížce vyrovnávají své spiny feromagneticky, protože jinak jsou narušeny kvantově mechanické superpoziční efekty, které umožňují volnou expanzi dublonů.

Výzkumníci ETH měřili magnetickou susceptibilitu (která závisí na vyrovnání spinů), když se elektronová výplň v moaré mřížce měnila. Když je mřížka obsazena více než jedním elektronem na místo, feromagnetické interakce vedou k prudkému nárůstu magnetické susceptibiliy, pokud je teplota dostatečně nízká.

„Až dosud byly takové mechanismy pro kinetický magnetismus detekovány pouze v modelových systémech, například ve čtyřech spojených kvantových tečkách,“ říká Imamoğlu, „ale nikdy v rozšířených systémech v pevné fázi, jako je ten, který používáme.“

Jako další krok chce změnit parametry moaré mřížky, aby prozkoumal, zda je feromagnetismus zachován pro vyšší teploty; v současném experimentu se materiál ještě musel ochladit na desetinu stupně nad absolutní nulou.