Группа исследователей под руководством Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США углубилась в изучение антиферромагнитных материалов. Целью их исследования было понять, как эти материалы будут реагировать на определенные манипуляции с электронным спином, внутренним свойством электронов. Проблема состояла в том, чтобы выяснить, могут ли быть вызваны макроскопические изменения в материале путем возмущения этих спинов. Если эксперимент удастся воспроизвести и результаты подтвердятся, это может привести к различным применениям, особенно в биомедицине.
«Электронный спин» — это свойство электронов, которое можно представить в виде волчка. Направление этого вращения, часто обозначаемое стрелкой, может быть различным, например, вверх или вниз. В магнитных материалах все эти вращения обычно имеют одно направление, что придает всему материалу магнетизм (способность притягиваться к магниту). Однако есть и другой тип магнитных материалов: антиферромагнетики. В антиферромагнитном материале спины электронов направлены в разные стороны, создавая чередование, отменяющее магнитный эффект.
Это исследование, опубликованное в журнале , исследователи намеревались выяснить, как антиферромагнитные материалы реагируют на манипуляции со спином. Такое любопытство небезосновательно. Предыдущие эксперименты показали, что манипулирование спином может существенно повлиять на поведение магнитных материалов. Хорошим примером является эксперимент физиков Альберта Эйнштейна и Вандера де Хааса, в котором простой железный цилиндр начал вращаться в ответ на изменение направления магнитного поля, отражающее инверсию спина электронов.
Обратите внимание: Ученые хотят выращивать компьютеры в лаборатории.
Возник вопрос: при такой очевидной реакции в ферромагнетиках, какой будет реакция антиферромагнетиков на манипуляции со спином?Эксперимент с использованием FePS3
В качестве антиферромагнитного материала исследователи выбрали трисульфид железа и фосфора (FePS3). Он характеризуется слоистой структурой, где каждый слой слабо взаимодействует со своими соседями. Исследователи использовали лазерные импульсы, чтобы сломать вращение в материале. Для расшифровки реакций FePS3 впервые были использованы оптические импульсы для изучения того, как материал пропускает свет, что позволило обнаружить изменения на молекулярном уровне. Далее внутреннюю структуру FePS3 исследовали с помощью рентгеновских лучей. Наконец, дополнительная информация об электронных свойствах материала была получена с помощью электронных импульсов.
Удивительные реакции
Одним из самых поразительных наблюдений было изменение магнитных свойств материала. Если в обычном антиферромагнетике спины электронов выстраиваются попеременно вверх и вниз, то они упорядочиваются под действием лазерных импульсов.
Кроме того, FePS3 продемонстрировал удивительную механическую реакцию: один слой материала начал скользить относительно другого. Это явление примечательно тем, что оно показывает, как возмущение такого малого масштаба, как спин электрона, может привести к макроскопическим изменениям в структуре материала. Более того, исследователи обнаружили, что это скольжение между слоями происходит с головокружительной скоростью, колеблющейся от 10 до 100 пикосекунд. Чтобы представить себе эту скорость, можно сказать, что за одну пикосекунду свет перемещается всего на треть миллиметра.
Это открытие может найти инновационное применение при разработке устройств, требующих сверхточного и сверхбыстрого управления движением. Это касается, например, создания нанороботов, которые используются для диагностики и малоинвазивной хирургии.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
- Сверхпроводимость - явление, при котором материал пропускает через себя электричество без сопротивления (при экстремально низких температурах), — вновь стала предметом глубокого изучения группы специалистов из Университета Эмори
- Строки кода не только произвели революцию в нашем обществе, но и могут спасти мир