Новый вид магнетизма может открыть путь к более быстрым и эффективным компьютерам. Недавно идентифицированный слоистый альтермагнет может помочь создать более быстрые, тонкие и энергоэффективные компьютеры, использующие спин электронов.

Компьютеры будущего могут опираться не только на электрический заряд электронов. Исследователей всё больше интересует ещё одна фундаментальная характеристика электрона — спин, который может предоставить новый способ перемещения и обработки информации в электронных устройствах.

Традиционные компьютеры используют движение электрического заряда для работы с данными. Если учёным удастся надёжно контролировать и спин электронов, возможно создание принципиально новых подходов к вычислениям, работающих быстрее и потребляющих меньше энергии.

Группа исследователей под руководством профессора физики из Университета Центральной Флориды Мадхаба Нёупана обнаружила материал, который может способствовать этому. Нёупан и его соавторы получили экспериментальные свидетельства альтермагнетизма — недавно признанной формы магнетизма, объединяющей полезные свойства двух более известных магнитных состояний: ферромагнетизма и антиферромагнетизма.

Ферромагнетизм и антиферромагнетизм

Ферромагнетизм — это тип магнитного поведения, знакомый по обычным магнитам. В ферромагнитном материале магнитные моменты направлены в одну сторону, что создаёт общий магнитный поля.

Такое поведение может быть ценным в электронных технологиях, но у него есть недостаток. Ферромагнеты могут генерировать рассеянные магнитные поля, которые мешают соседним компонентам — проблема, актуальность которой повышается по мере уменьшения размеров и увеличения плотности размещения электронных устройств.

Антиферромагнетики действуют иначе. Их магнитные моменты направлены в противоположные стороны, взаимно компенсируясь и существенно снижая рассеянные магнитные поля. Однако эти материалы не обладают некоторыми электронными свойствами, которые делают ферромагнеты привлекательными для технологических приложений.

Альтермагнеты могут предложить преимущества обеих категорий.

Как и антиферромагнетики, они могут работать без создания нежелательных рассеянных магнитных полей. В то же время они способны генерировать и детектировать спиновые токи — движение спинов электронов через материал. Исследователи изучают, смогут ли такие спиновые токи в будущем передавать информацию в электронных системах.

Нёупан и его коллеги обнаружили экспериментальные признаки альтермагнетизма в Co1/4TaSe2 — слоистом материале, содержащем магнитные атомы кобальта. Этот материал теперь может служить гибкой экспериментальной платформой для изучения этого необычного магнитного состояния и одновременно способствовать развитию электронных и спинтронных технологий.

Преимущества альтермагнетов

«Эти материалы отличаются от более традиционных антиферромагнетиков способностью генерировать и детектировать спиновые токи без негативного эффекта в виде рассеянных полей», — говорит Нёупан. «Это новое свойство делает их очень перспективными для многих различных приложений — включая спинтронику, ультрабыструю память, терагерцовые сети и энергоэффективную электронику».

Обнаружение альтермагнетизма в поведении электронов

Чтобы установить, действительно ли Co1/4TaSe2 демонстрирует альтермагнетизм, исследователи изучали поведение электронов внутри материала.

Они использовали энерго- и углово-разрешающую фотоэмиссионную спектроскопию (ARPES) — метод, позволяющий измерять энергию и движение электронов и восстанавливать электронную структуру материала.

«Наш подход заключался в применении методов с более высоким разрешением, нечувствительных к спину электрона, чтобы измерить расщепление уровней энергии», — объясняет Нёупан. «Затем мы дополнили это измерение спин-разрешающей ARPES, чтобы окончательно установить, похоже ли это на альтермагнетизм».

Первые измерения выявили характерное расщепление в электронных зонах материала. Для более детального исследования команда перешла к спин-разрешающей ARPES.

Эти измерения показали, что разделённые электронные состояния имеют противоположную спин-поляризацию — важный признак, ожидаемый при альтермагнетизме.

Наблюдение этого эффекта было нетривиальной задачей. Фотоэмиссионные методы чрезвычайно чувствительны к состоянию поверхности, и даже небольшое загрязнение может скрыть электронные сигналы, которые учёные стремились измерить.

Сотрудники-партнёры изготовили образцы Co1/4TaSe2 высокого качества, а группа Нёупана тщательно проверяла их на предмет исключительно чистых поверхностей, прежде чем картировать электронные свойства.

«Значение стало очевидным, когда экспериментальные измерения последовательно совпали с нашими теоретическими предсказаниями», — говорит Нёупан. «Увидев, что независимые куски доказательств сходятся, мы получили уверенность в том, что идентифицировали подлинный слоистый альтермагнет».

Ультратонкий и легко настраиваемый материал

Наличие доказательств альтермагнетизма — не единственное, что сделало Co1/4TaSe2 привлекательным для исследователей.

Материал состоит из чрезвычайно тонких листов, уложенных друг на друга. Поскольку отдельные слои связаны слабо, исследователи могут расслаивать их и комбинировать в очень тонкие структуры. Такая гибкость делает слоистые материалы привлекательными для тонкоплёночных устройств и других перспективных электронных технологий.

Этот класс слоистых материалов известен как дихалькогениды переходных металлов (TMD).

В Co1/4TaSe2 магнитные атомы кобальта, расположенные между слоями, вносят вклад в его необычные магнитные свойства. Слоистая структура также даёт учёным значительный контроль над материалом, позволяя модифицировать его и наблюдать, как эти изменения влияют на электронные и магнитные характеристики.

Устранение неразрешенных вопросов

Исследователи также стремились определить, откуда именно исходят электронные сигнатуры, связанные с альтермагнетизмом.

До этих экспериментов учёные не знали, будут ли важные альтермагнитные признаки в слоистых материалах преимущественно появляться на поверхности или глубже в объёме.

Измерения показали, что релевантное электронное состояние в основном возникает внутри самого материала и демонстрирует явные признаки альтермагнитного порядка.

«Наличие свидетельств альтермагнетизма в универсальной платформе материалов открывает множество новых возможностей», — говорит ведущий аспирант проекта Майло Спрэг. «В настоящее время в теории альтермагнетизма много дебатов о том, как спин-поляризованные электронные состояния взаимодействуют с другими магнитными явлениями. Теперь у нас есть материал, который мы можем легко модифицировать, чтобы изучать эти новые вопросы».

Использование спина электронов для электроники будущего

Практически вся современная электроника опирается на заряд электрона для передачи и обработки информации. Но электроны также обладают спином — ещё одним внутренним свойством, которое исследователи надеются использовать для вычислений.

Область, посвящённая использованию спина электронов в электронных устройствах, называется спинтроникой.

Альтермагнеты представляют особый интерес для спинтроники, поскольку они могут создавать и детектировать спиновые токи без генерации проблемных рассеянных магнитных полей, характерных для обычных ферромагнетиков.

«По мере уменьшения размеров электронных устройств исследователям нужны новые материалы, которые могут работать быстрее и при этом потреблять меньше энергии», — отмечает Нёупан.

Слоистые материалы уже изучаются для применения в устройствах от крайне малых транзисторов до оптических технологий и других передовых электронных систем. Отдельно исследуются способы использования спиновых токов для передачи цифровой информации.

Слоистые альтермагнеты потенциально могут соединить эти два направления. Их чрезвычайно тонкая и настраиваемая структура может позволить контролировать спин электронов, избегая при этом магнитных помех, создаваемых обычными магнитами.

«Если этот подход окажется жизнеспособным, то слоистые альтермагнеты окажутся в авангарде развития электроники», — говорит Нёупан.

Остаются крупные вопросы об альтермагнетизме

Открытие также даёт исследователям важный инструмент для базовой науки: материал, который можно модифицировать и изучать, пока учёные исследуют множество неразрешённых вопросов, связанных с альтермагнетизмом в Co1/4TaSe2.

Учёные пока полностью не понимают, почему формируется это необычное магнитное состояние, почему оно в некоторых случаях оказывается выгоднее по сравнению с конкурирующими магнитными упорядочениями — включая ферромагнетизм и другие формы антиферромагнетизма — и как именно оно ведёт себя в различных условиях.

Теоретические работы предполагают, что конкурирующие взаимодействия между электронами могут влиять на тип развивающегося магнитного порядка. Сейчас учёные пытаются выяснить, насколько точно эти теории описывают реальные материалы.

«Существует много деталей в теории работы альтермагнетов, которые ещё не исследованы и не подтверждены экспериментально», — говорит Нёупан. «Теперь, когда мы выявили несколько платформ для ответа на эти вопросы, ведутся более продвинутые исследования этих материалов».

Поскольку исследователи могут изменять Co1/4TaSe2 и отслеживать, как реагируют его свойства, материал предлагает ценную новую среду для изучения альтермагнетизма и выяснения того, как он взаимодействует с другими магнитными и электронными эффектами.

Эта работа выполнялась при поддержке Министерства энергетики США, Офиса науки в рамках гранта DE-SC0024304.

Материалы предоставлены Университетом Центральной Флориды.

Milo Sprague, Mazharul Islam Mondal, Anup Pradhan Sakhya, Resham Babu Regmi, Surasree Sadhukhan, Arun K. Kumay, Himanshu Sheokand, Igor I. Mazin, Nirmal J. Ghimire, Madhab Neupane. Observation of Altermagnetic Spin-Splitting in an Intercalated Transition Metal Dichalcogenide. Nature Communications, 2026; 17 (1) DOI: 10.1038/s41467-026-76784-x