Явление магнетизма широко используется в электронике и запоминающих устройствах. Оба направления привлекают внимание большого круга учёных своей высочайшей практической ценностью. Очевидно, что границы возможностей и применяемых материалов постоянно нуждаются в расширении. Прорыв смогли совершить японские учёные, обнаружив уникальные магнитные свойства у материалов, которые, как считалось, не должны были их проявлять.

Обзор игрового QD-OLED WQHD-монитора Gigabyte AORUS FO27Q5P: на пределе возможностей

Обзор игрового 4K IPS-монитора Gigabyte M27UP: разнообразия ради

Обзор телевизора Sber SDX-43U4169

Итоги 2025 года: почему память стала роскошью и что будет дальше

Обзор ноутбука TECNO MEGABOOK S14 (S14MM): OLED с HDR как новая норма

Итоги 2025-го: ИИ-лихорадка, рыночные войны, конец эпохи Windows 10 и ещё 12 главных событий года

Поиск взаимодействия между антиферромагнетизмом, зонной топологией и сильными электронными взаимодействиями. Источник изображения: Ray et al 2025

Магнитные материалы в лице ферромагнетиков с упорядоченными спинами электронов способны демонстрировать аномальный эффект Холла. Обычный эффект Холла возникает во внешнем магнитном поле при пропускании тока через магнитный образец. В случае аномального эффекта Холла поле в образце (разность потенциалов на его концах или напряжение) возникает в магнитном материале даже без внешнего магнитного поля.

Подобного явления никто не ожидал в случае антиферромагнетиков. Спины в таких материалах неупорядочены и компенсируют друг друга при противоположной ориентации. Однако даже в антиферромагнетиках были обнаружены признаки аномального эффекта Холла. Это означает, что в качестве магнитной памяти может использоваться новый класс материалов со своими уникальными свойствами, что потенциально обещает улучшение характеристик запоминающих устройств. Теперь необходимо тщательно разобраться в этом явлении и подвести фундаментальную научную базу — именно этим и занялись учёные из Японии.

«Ранее уже сообщалось об аномальном эффекте Холла, возникающем в определённом классе коллинеарных антиферромагнетиков, — говорят исследователи. — Однако наблюдаемые сигналы были чрезвычайно слабыми. Выявление аномального эффекта Холла без намагниченности представляло большой научный и технологический интерес».

«Одной из главных задач нашего исследовательского проекта было создание последовательной научной картины на основе наших наблюдений, — заявляют авторы новой работы. — Каждый шаг требовал тщательной интерпретации, особенно из-за структурных нарушений, характерных для систем дихалькогенидов переходных металлов (TMD)».

Учёные использовали семейство материалов под названием дихалькогениды переходных металлов в качестве двумерных строительных блоков. Вставляя магнитные ионы между атомными слоями, исследователи могли управлять движением и взаимодействием электронов. Модифицированная до трёхмерного состояния структура продемонстрировала новое поведение, невозможное в двумерной форме. Только после этого исследователям удалось измерить аномальный эффект Холла в широком диапазоне температур и магнитных полей.

Кроме того, учёные из США предоставили доказательства в виде микроскопических изображений образцов, подтверждающих коллинеарную антиферромагнитную структуру материала. Затем результаты были сопоставлены с теоретическим анализом и расчётами, выполненными группой учёных из Токийского университета.

Полученные результаты стали первым убедительным экспериментальным доказательством аномального эффекта Холла, наблюдаемого в коллинеарных антиферромагнетиках. Поскольку традиционно считается, что аномальный эффект Холла связан с намагниченностью, его обнаружение в подобных материалах указывает на явления, выходящие за рамки стандартного понимания. Исследователи предполагают, что это связано с уникальной структурой электронных зон материала, которая вызывает появление так называемого «виртуального магнитного поля» и усиливает аномальный эффект Холла в отсутствие намагниченности. Работа будет продолжена, поскольку полного понимания физики этого процесса пока не достигнуто.

Теоретически предсказанное явление альтермагнетизма (altermagnetism) впервые получило подтверждение в научном эксперименте. Международная группа учёных наблюдала магнитный вихрь в материале, который никогда не проявлял магнитных свойств. Таких материалов может быть сотни, и это — возможность тысячекратно уплотнить магнитную запись данных и совершить новый прорыв в вычислениях.

Итоги 2025-го: ИИ-лихорадка, рыночные войны, конец эпохи Windows 10 и ещё 12 главных событий года

Обзор телевизора Sber SDX-43U4169

Обзор ноутбука TECNO MEGABOOK S14 (S14MM): OLED с HDR как новая норма

Обзор игрового QD-OLED WQHD-монитора Gigabyte AORUS FO27Q5P: на пределе возможностей

Обзор игрового 4K IPS-монитора Gigabyte M27UP: разнообразия ради

Итоги 2025 года: почему память стала роскошью и что будет дальше

Источник изображения: Oliver Amin/University of Nottingham

Альтермагнетики сочетают в себе — в едином материале — полезные свойства ферромагнетиков и антиферромагнетиков. Они потенциально могут привести к тысячекратному увеличению быстродействия микроэлектронных компонентов и цифровой памяти, будучи при этом более надёжными и энергоэффективными. Это третий класс магнетизма, который до этого года существовал лишь в моделях.

Старший научный сотрудник Оливер Амин (Oliver Amin), возглавлявший эксперимент и являющийся соавтором исследования, сказал: «Наша экспериментальная работа обеспечила связь между теоретическими концепциями и реализацией в реальной жизни, что, как мы надеемся, откроет путь к разработке альтернативных магнитных материалов для практического применения».

Магнитные свойства материала зависят от ориентации спина его электронов. В ферромагнитных материалах, таких как железо, которые обладают сильной реакцией на магнитные поля, спины всех электроны выровнены в одном направлении. В антиферромагнетике, в случае другого типа магнетизма, спины соседних электронов направлены в противоположных направлениях и, следовательно, нейтрализуют друг друга, поэтому материал в целом не реагирует на внешнее поле. В случае нового типа магнетизма спины электронов на соседних позициях также разнонаправлены, но эти направления постоянно и симметрично поворачиваются.

Новое экспериментальное исследование было проведено на международной установке MAX IV в Швеции. Это ускоритель электронов или синхротрон, который генерирует рентгеновские лучи. Рентгеновские лучи направляются на магнитный материал, и электроны, испускаемые поверхностью образца, регистрируются с помощью специального микроскопа. Это позволяет получить изображение магнетизма в материале с разрешением вплоть до наноразмерных. В образце теллурида марганца — на его поверхности — учёные обнаружили циркулирующие магнитных вихри, которые укладываются в теоретические предсказания по альтермагнетизму.

Теллурид марганца, вероятно, не подойдёт для промышленного применения явления, хотя другой немагнитный полупроводник — антимонид хрома — вполне может им стать. Физики предсказывают, что более 100 соединений будут проявлять немагнитное поведение. За последний год опубликовано около 200 работ по альтермагнетизму, что говорит об интересе и нужде в новой и более плотной технологии записи данных. С такой активностью учёных нельзя исключать, что уже через 10 лет альтермагнетизм заявит о себе в виде коммерческого продукта. А вдруг?