Команда учёных из Аргоннской национальной лаборатории (США) провела фундаментальное исследование, чтобы раскрыть секреты поведения антиферромагнитных материалов. Их главной целью было понять, можно ли, воздействуя на электронные спины — внутренние «магнитные стрелки» электронов — вызвать заметные, макроскопические изменения в структуре самого материала. Успех этого эксперимента открывает дорогу к принципиально новым технологиям, в частности, в области биомедицины и наноинженерии.
Чтобы понять суть открытия, нужно разобраться в основах. Электронный спин — это квантовое свойство, которое условно можно сравнить с вращением волчка. Его направление («вверх» или «вниз») определяет магнитные свойства. В обычных магнитах (ферромагнетиках) спины всех электронов сонаправлены, создавая сильное внешнее магнитное поле. В антиферромагнетиках же соседние спины направлены противоположно, из-за чего их магнитные эффекты взаимно компенсируются, и материал в целом не проявляет магнетизма.
Исследование, опубликованное в журнале Nature, было мотивировано классическими работами. Ещё Эйнштейн и де Хаас показали, что переворот спинов в ферромагнетике заставляет железный цилиндр физически вращаться. Учёные задались вопросом: а как на подобное воздействие отреагирует антиферромагнетик, где нет общего магнитного порядка?
Обратите внимание: Ученые хотят выращивать компьютеры в лаборатории.
Многослойный материал FePS3 под прицелом лазера
В качестве объекта изучения был выбран трисульфид железа-фосфора (FePS3). Это слоистый материал, где связи между слоями очень слабы. Учёные применили комплексный подход: мощные лазерные импульсы использовались для возмущения электронных спинов, а затем реакция материала изучалась с помощью трёх независимых методов. Оптические импульсы анализировали, как меняется прохождение света, рентгеновские лучи «просвечивали» внутреннюю атомную структуру, а электронные импульсы давали информацию об изменении электронных свойств.
Неожиданные и стремительные превращения
Результаты превзошли ожидания. Во-первых, лазерное воздействие заставило хаотичные спины в антиферромагнетике упорядочиться, временно изменив его магнитное состояние.
Но самое удивительное открытие было механическим. Под влиянием манипуляций со спинами слои материала FePS3 начали сверхбыстро скользить друг относительно друга. Это доказывает, что возмущение на субатомном уровне (спин) способно запускать цепную реакцию, приводящую к видимым структурным перестройкам. Скорость этого скольжения поражает воображение — от 10 до 100 пикосекунд. Для сравнения, за одну пикосекунду свет успевает пройти расстояние, меньшее толщины листа бумаги.
Такое сверхбыстрое и контролируемое движение на атомарном уровне открывает фантастические перспективы. Оно может стать основой для создания устройств нового поколения: нанороботов для точечной доставки лекарств или ювелирной хирургии внутри клеток, а также компонентов для сверхскоростной электроники будущего.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.