Новый алтермагнит и алмазный квантовый датчик для электроники будущего

Исследователи из Университета Баффало предложили метод квантового зондирования, способный выявлять алтермагниты — недавно открытый тип магнитных материалов с необычными характеристиками. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.

Алтермагниты представляют собой новый класс магнитных материалов, отличающийся от традиционных ферромагнитов и антиферромагнитов, известных на протяжении почти столетия. Эти материалы обладают потенциалом для создания более быстрых и энергоэффективных электронных устройств.

Принцип работы алмазного квантового датчика

Предложенный метод основан на использовании дефектов в алмазах, которые обладают высокой чувствительностью к магнитным полям. В эксперименте предполагается помещать образец с подозрительным алтермагнитным материалом рядом с алмазом, содержащим магнитный дефект.

Измеряя скорость релаксации магнитного сигнала дефекта в зависимости от направления, ученые смогут обнаружить уникальный магнитный отпечаток алтермагнита. Такой подход позволяет минимально воздействовать на исследуемый материал, что является преимуществом по сравнению с традиционными методами.

Особенности алтермагнитов

Ферромагниты, знакомые большинству, характеризуются выравниванием электронных спинов в одном направлении, что создает управляемое магнитное поле и используется в компьютерной памяти. Антиферромагниты, напротив, имеют противоположно ориентированные соседние спины, что приводит к взаимной компенсации магнитного поля, но обеспечивает более быструю смену состояний.

Алтермагниты сочетают свойства обоих типов: они не обладают суммарной намагниченностью, как антиферромагниты, однако кристаллическая структура заставляет электроны вести себя подобно ферромагнитам. Это сочетание может обеспечить более быстрое и энергоэффективное управление информацией.

История открытия и перспективы

Концепция алтермагнитов возникла в 2019 году после наблюдений ученых из Иоганнеса Гутенберга в Майнце, которые обнаружили, что диоксид рутения, предположительно не обладающий намагниченностью, при воздействии электрического тока проявляет свойства ферромагнита. Это стало основанием для выделения нового класса магнитных материалов.

С тех пор экспериментальные исследования выявили признаки алтермагнитизма в нескольких материалах, а теоретические прогнозы предполагают, что более 200 веществ могут принадлежать к этому классу, что вдвое превышает количество известных ферромагнитных материалов.

Роль алмазных дефектов в квантовом зондировании

Квантовый датчик базируется на дефекте в алмазе, образующемся при замещении одного атома углерода на атом азота и отсутствии соседнего атома углерода. Эти дефекты чрезвычайно чувствительны к магнитным полям и позволяют измерять релаксацию магнитного спина в различных направлениях.

Изменения скорости релаксации в зависимости от направления указывают на сложные магнитные паттерны, характерные для алтермагнитов, что делает этот метод перспективным для идентификации таких материалов без значительного вмешательства в их естественное поведение.

Текущий статус и дальнейшие шаги

Разработанная система квантового зондирования пока существует только в виде теоретической модели, основанной на сложных квантовых симуляциях. Для проверки эффективности метода необходимы лабораторные эксперименты с реальными материалами.

Авторы исследования считают, что такой инструмент станет ключевым для перехода алтермагнитов из теории в практическое применение, что позволит значительно повысить эффективность передачи информации и снизить энергопотребление в электронике.

В работе участвовали также Хоссейн Хоссейнабади из Макс-Планк Института физики сложных систем и В. А. С. В. Биттенкурт из Университета Страсбурга и Макс-Планк Института науки о свете. Исследование финансировалось Немецким исследовательским фондом.