Физики, открывшие третий вид магнетизма, получили Европейскую премию по физике

Премию присудило отделение физики конденсированного состояния Европейского физического общества (EPS). Её получили профессор Майнцского университета имени Иоганна Гутенберга (JGU) Джайро Синова, доктор Либор Шмейкал и профессор Томаш Юнгвирт. Награду вручают за крупные достижения в физике конденсированного состояния — области, которая изучает свойства и поведение материалов. Премия существует с 1975 года.

Открытие стало итогом многолетней работы группы Синовы в Майнце и команды Юнгвирта из Института физики Чешской академии наук в Праге. Шмейкал, также связанный с Прагой, с 2016 по 2024 год работал в Майнце: сначала над докторской диссертацией, затем как постдок в группе Синовы. Церемонию награждения планировали на сентябрь 2026 года в австрийском Граце на 32-й генеральной конференции отделения (CMD32).

«Эта награда отмечает фундаментальное открытие, которое бросило вызов одной из самых устоявшихся парадигм физики конденсированного состояния», — сказал Джайро Синова, директор Междисциплинарного центра спиновых явлений (SPICE) в Майнце, пишет ScienceDaily.

Чем альтермагнетики отличаются от других магнитов

Больше 100 лет физики делили коллинеарные магниты на две группы: ферромагнетики и антиферромагнетики. У ферромагнетиков есть общая намагниченность, и такие материалы лежат в основе многих современных технологий магнитной памяти. В обычных антиферромагнетиках противоположные магнитные моменты гасят друг друга, общей намагниченности нет, а электронное поведение сильно отличается от ферромагнитного.

Альтермагнетики занимают промежуточное положение. Как и у антиферромагнетиков, их магнитные моменты взаимно компенсируются, и общей намагниченности нет. Однако электроны в них могут проявлять свойства, которые раньше связывали с ферромагнетиками.

Благодаря этому такие материалы проводят электрический ток с сильно поляризованными спинами электронов и при этом демонстрируют очень быструю магнитную динамику. Эти свойства могут пригодиться для нового поколения спинтронных устройств. Спинтроника изучает, как спин электрона можно использовать в электронике.

Значение открытия не ограничивается электроникой. Альтермагнетизм — ранее не замеченный класс симметрии вещества, и он обнаружил связи с топологическими явлениями, нетрадиционной сверхпроводимостью и квантовыми материалами с сильным взаимодействием электронов.

Как пришли к открытию

Путь начался с теоретического изучения необычного движения электрического тока в магнитных материалах. Одним из первых шагов стало предсказание кристаллического аномального эффекта Холла — явления, связанного с переносом заряда в некоторых кристаллических структурах.

Сначала такое поведение могло казаться особенностью отдельных материалов. Но исследователи поняли, что его объединяет общий принцип, связанный с симметриями спинов электронов, и эти материалы относятся к совершенно другой магнитной категории.

Важной вехой стал 2022 год: команда опубликовала полную классификацию альтермагнетизма по симметрии и указала сотни материалов, в которых он потенциально возможен. Затем экспериментаторы проверили предсказания несколькими методами, в том числе угловой фотоэмиссионной спектроскопией (ARPES), которая показывает, как ведут себя электроны внутри материалов, и измерениями электрического транспорта. Альтермагнитное поведение подтвердилось в нескольких материалах.

Рост интереса

За несколько лет вышли сотни научных статей, а альтермагнетизм стал заметной темой международных конференций. Исследования ведут в Европе, Северной Америке и Азии: учёные изучают как фундаментальные свойства, так и возможное применение.

Шмейкал сейчас связан с Институтом физики сложных систем общества Макса Планка, Институтом химической физики твёрдого тела общества Макса Планка и Институтом физики Чешской академии наук. Юнгвирт работает в Институте физики Чешской академии наук и Ноттингемском университете. Синова — профессор физики в Майнце, его исследования посвящены магнетизму, спинтронике и квантовым материалам.

Между прочим. Число известных химических соединений, которые становятся антиферромагнетиками при определённых температурах, приближается к тысяче. При низких температурах на атомах антиферромагнетика можно создать ячейки памяти всего из 12 атомов, тогда как в современных жёстких дисках на 1 бит информации нужно около 1 млн. атомов.