Обычное сжатие кристалла управляет необычным магнитом
Исследователи из Университета Райса обнаружили, что слабое сжатие кристалла сульфида железа одновременно меняет два его необычных свойства: крошечный магнитный сигнал и то, как через материал проходит электричество. Результат дает более ясную картину того, как работает новый класс магнитных материалов, и указывает на простой способ управлять их поведением. Об этом сообщает издание Phys.org.
Материал принадлежит к группе альтермагнетиков. Их внутренние магнитные моменты почти полностью компенсируют друг друга, как в антиферромагнетиках, поэтому они не создают сильного внешнего магнитного поля. При этом они все же могут влиять на движущиеся электроны, что может пригодиться для будущих электронных устройств.
Команда Райса изучала гексагональную форму сульфида железа (FeS). Несмотря на почти полную компенсацию магнетизма, у материала остается очень маленький остаточный магнитный момент. Кроме того, он производит необычный электрический сигнал — аномальный эффект Холла: при протекании тока появляется небольшое поперечное напряжение даже без внешнего магнитного поля.
Интересно, что мы можем наблюдать крошечный магнитный сигнал и электрический сигнал одновременно, — говорит Пэнчэн Дай, профессор физики и астрономии Университета Райса, соавтор исследования. Когда мы сжимаем кристалл в одном направлении, оба сигнала уменьшаются вместе. Это говорит о том, что два эффекта тесно связаны.
Для эксперимента исследователи построили устройство, которое аккуратно сжимает кристалл с одного направления. С ростом давления слабый магнитный момент становился слабее, и необычное поперечное напряжение тоже. Однако основная магнитная упорядоченность практически не менялась.
Затем команда использовала нейтронные пучки в Национальной лаборатории Ок-Ридж, чтобы заглянуть внутрь материала. Нейтронные измерения показали: базовая магнитная структура остается прежней, но сжатие меняет, какие магнитные ориентации внутри кристалла становятся наиболее распространенными.
В кристалле есть несколько почти эквивалентных способов направления магнитных моментов. Поскольку разница в энергии между этими вариантами очень мала, даже умеренное давление может отдать предпочтение одним направлениям перед другими. Это делает FeS необычно легким для механической настройки.
Результаты также проясняют вопрос о происхождении необычного электрического сигнала. Одно из объяснений связано с тем, как электроны движутся в электронной структуре кристалла, — эффект, описываемый термином 'кривизна Берри'. Эксперименты Райса не исключают это объяснение, но показывают, что электрический сигнал меняется синхронно с крошечным магнитным моментом, что говорит об их связи с одной и той же физикой.
Мы не утверждаем, что электронное объяснение неверно, — говорит Вэйлян Яо, первый автор исследования. Наши измерения показывают, что крошечный магнитный момент и аномальный эффект Холла сильно связаны в этом материале. Понять, почему они связаны, теперь важный вопрос.
Способность управлять такими эффектами с помощью небольшой механической деформации может пригодиться в спинтронике — области, которая использует магнитные свойства электронов для хранения или обработки информации. Устройства на этой основе потенциально могут работать с меньшими нежелательными магнитными помехами и меньшим энергопотреблением, чем некоторые обычные технологии.
Для возможных применений контроль имеет решающее значение, — говорит Дай. Этот эксперимент показывает, что относительно простое механическое сжатие может одновременно изменять важные магнитные и электрические свойства. Это также дает нам новый способ понять, что происходит внутри этих необычных магнитов.
Исследование опубликовано в журнале Advanced Materials. Работа сочетает выращивание кристаллов, электрические измерения, измерения намагниченности и эксперименты по рассеянию нейтронов, проведенные совместно с группами Цимиао Си и Эмилии Морозан в Лаборатории новых магнитных материалов Райса.
