Учени от ETH Цюрих откриха нов тип магнетизъм. Експериментите показват, че изкуствено произведен материал става магнитен чрез механизъм, невиждан досега.

Защо някои материали са магнити, а други - не

Казано по-просто - движението на електроните във всеки атома създава около него малко магнитно поле. Движещият се по орбита електрон образува вихрообразно магнитно поле.  Но по-голямата част от магнитното поле, се създава не от движението на електрона в орбита около ядрото. Магнитното взаимодействие между електроните в един атом се определя от ориентацията на магнитния "спин" на всеки електрон - квантово механично свойство, описващо вътрешния ъглов момент, който за елементарните частици има само две възможности или "нагоре", или "надолу".

Чувствителни към магнитното поле се електроните от външните обвивки и те определят магнетизма на материалите.

Така в някои атоми с нечетен брой електрони (каквито са феромагнитните елементи) се съдържат несдвоени електрони и поне един некомпенсиран спинов магнитен диполен момент. Орбиталите на съседно разположените атоми се припокриват, а състоянието, при което спиновете на несдвоените електрони са успоредни е енергийно най-изгодно.

Вляво: немагнитен образец без привилегировано направление.	Вдясно: магнитен образец  с привилегировано направление.
Илюстрация: elementy.ru

Свойството на феромагнитите да привличат други метали се дължи на сумарното магнитно поле на спиновете на електроните, които се съдържат в тях. 

Всеки атом, притежаващ магнитно поле може да се разглежда като малко магнитче, наречено домейн. В един феромагнит те са подредени. 

При немагнитни материали атомите тази тенденция за нареждане на магнитчетата се преодолява и ефектите на магнитното поле на отделните домейни взаимно се уравновесяват и материалът не се превръща в магнит в макро мащаб. Малките атомни магнитчета се ориентират на случаен принцип и нито една от посоките не е привилегирована. Магнетизмът се проявява единствено при наличието на външно магнитно поле. Парамагнитните материали реагират на външното магнитно поле, но много слабо и за разлика от феромагнитните материали не се намагнитват под негово въздействие – при излизането им от полето магнитните им свойства изчезват.

Странна нова форма на магнетизъм

В новото изследване учените от ETH откриха странна нова форма на магнетизъм. Учените изследват магнитните свойства на материали тип моаре, експериментални материали, направени чрез подреждане на двуизмерни листове от молибденов диселенид и волфрамов дисулфид. Тези материали имат решетъчна структура, която може да съдържа електрони.

Суперрешетка. Кредит: UCSD Department of Physics

За да разбере какъв тип магнетизъм притежават тези моаре материали, екипът първо "налива“ електрони в тях чрез прилагане на електрически ток и постоянно увеличаване на напрежението. След това, за да измерят неговия магнетизъм, те осветяват материала с лазер и измерват колко силно се отразява тази светлина за различни поляризации, което може да разкрие дали спиновете на електроните ("магнитчетата") сочат в една и съща посока (показващо феромагнетизъм) или произволни посоки (за парамагнетизъм).

Материалът в новото изследване започва с парамагнетизъм (вляво), който възниква, когато завъртанията на електроните (сините топки) сочат в произволни посоки. След известно време материалът проявява кинетичен феромагнетизъм (вдясно), където електроните се сдвояват в двойки или "дублони" (червената топка), които се разпространяват, за да запълнят решетката, като предизвикват завъртане на електроните, за да се подравнят всички. Кредит: ETH Zurich

Първоначално материалът проявява парамагнетизъм, но тъй като екипът добавя повече електрони към решетката, той показва внезапна и неочаквана промяна, ставайки феромагнитен. Интересното е, че това изместване се случи точно когато решетката се запълни над един електрон на място на решетката, което изключва обменното взаимодействие - обичайният механизъм, който задвижва феромагнетизма.

Екипът предлага различен механизъм: тъй като повече от един електрон навлиза в местата на решетката, те се сдвояват в частици, наречени "дублони", които в крайна сметка запълват цялата решетка чрез квантово тунелиране. Докато го правят обаче, електроните минимизират кинетичната си енергия, което правят чрез подравняване на спиновете си, като по този начин произвеждат феромагнетизъм. Този "кинетичен магнетизъм" е теоретично прогнозиран от десетилетия, но не е наблюдаван преди това в твърди материали.

Изследователите планират да проучат по-отблизо явлението, включително дали може да се постигне при по-високи температури. В края на краищата, за този експеримент материалът трябваше да бъде охладен до част над абсолютната нула.

Справка: Ciorciaro, L., Smoleński, T., Morera, I. et al. Kinetic magnetism in triangular moiré materials. Nature 623, 509–513 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06633-0 

Източник: Scientists discover strange new form of magnetism, Michael Irving, newatlas

Още по темата

10/08/2023

Физика

Открито е необичайно свръхбързо движение в слоести магнитни материали

13/05/2022

Физика

Необичайно квантово състояние на материята е наблюдавано за първи път

11/02/2019

Физика

Откриха нов тип магнит, който не би трябвало да съществува

08/08/2015

Физика

Немагнитни метали за кратко са превърнати в магнит