Материал, който в нормално състояние почти не проявява магнетизъм рязко променя поведението си, ако от него останат само няколко атомни слоя. Физици от Университета „Райс“, Университета на Минесота и Института „Паул Шерер“ откриха признаци на скрито магнитно състояние свръхтънките слоеве от рутениев диоксид. Това откритие може да проправи пътя към по-компактна и енергийно ефективна памет.
Изследването на учените е публикувано в списанието Science Advances. Те са изследвали рутениевия диоксид RuO₂, който отдавна се счита за един от възможните алтермагнетици. Такива материали съчетават свойствата на два познати типа магнити и могат да управляват спина на електроните без силни външни магнитни полета.
При феромагнетиците електронните спинове са насочени в една посока, поради което материалът създава забележимо магнитно поле. При антиферомагнетиците съседните спинове са насочени в противоположни посоки и взаимно се компенсират. Алтермагнетиците почти не притежават обща намагнитеност, но електронните състояния с различни спинове се разделят в зависимост от посоката на движение на електроните и симетрията на кристала.
Предишните експерименти с обемни кристали от RuO₂ не дадоха убедителни доказателства за наличие на магнетизъм. Резултатите предизвикаха продължителен спор относно това дали рутениевият диоксид принадлежи към алтермагнетиците. Новото проучване показва, че отговорът зависи не само от химичния състав, но и от дебелината на материала, формата на кристалната решетка и условията на отглеждане.
Изследователите изработиха RuO₂ слоеве с дебелина от само няколко атомни слоя. Слоевете бяха отгледани върху подложка с леко различно разстояние между атомите. Подложката разтягаше или свиваше кристалната решетка на рутениевия диоксид, променяше разположението на атомите и преструктурираше електронните състояния. Дори малка деформация се оказа способна да промени магнитните свойства на материала. За измерванията физиците приложиха фотоелектронна спектроскопия с резолюция по спина. Учените насочваха светлина към пробата, избиваха електрони от нея и измерваха тяхната енергия, импулс и ориентация на спина.
Получените карти показаха огледално-четни и огледално-нечетни спинови структури. Такива модели се променят по определен начин при отражение спрямо равнините на симетрия на кристала. В съчетание с изчисленията резултатите сочат не обикновен феромагнетизъм, а по-сложно магнитно състояние, свързано със симетрията на решетката и движението на електроните. Според един от ръководителите на изследването, именно изключително малката дебелина може да превърне рутениевия диоксид в магнитен материал. В обемния кристал изследователите не са наблюдавали подобни признаци на алтермагнетизъм без деформация на решетката.
Авторите считат, че инженерите ще могат да управляват свойствата на RuO₂ чрез дебелината на филма, избора на подложка или механично налягане. Такъв подход ще позволи превключването на материала между различни електронни и магнитни състояния. Алтермагнетиците представляват интерес за разработчиците на спинтроника и магнитна памет. Съвременните микросхеми често използват феромагнетици, чиито паразитни полета започват да пречат на съседните елементи при намаляване на размерите на устройствата. Алтермагнетиците почти не създават външно магнитно поле, но запазват спин-зависимите свойства, необходими за записване и четене на информация.
Изследователите все още не са създали работеща памет на базата на RuO₂. Експериментът само показа, че няколко атомни слоя и малка деформация са в състояние да разкрият магнитно състояние, което изчезва в обемния материал. Работата предоставя на физиците нов начин за управление на квантовите материали на нивото на отделните атомни слоеве.