Физики раскрыли секрет «неуловимого» магнетизма диоксида рутения

Магнит по желанию

Физики сделали важный шаг к разгадке давней загадки диоксида рутения (RuO2) — материала, вокруг магнитных свойств которого уже много лет идут споры. Одни исследования называли его магнитным, при этом другие не находили никаких признаков магнетизма. Новая работа показывает, что причина этих противоречий может скрываться не в самом веществе, а в особенностях его атомной структуры.

В ходе эксперимента ученые изготовили ультратонкие пленки RuO2 толщиной всего около двух нанометров и вырастили их на подложке из диоксида титана. Из-за небольшого несовпадения параметров кристаллических решеток пленка оказалась слегка растянутой. Это механическое напряжение изменило взаимное расположение атомов и характер взаимодействия электронов внутри материала.

Для изучения структуры исследователи применили фотоэмиссионную спектроскопию с угловым и спиновым разрешением (spin-ARPES). Этот метод позволяет одновременно определить энергию, направление движения и спин электронов. Измерения выявили необычное распределение спинов — характерный признак магнитного упорядочения.

Дополнительные проверки показали, что обнаруженный эффект нельзя объяснить особенностями кристаллической структуры или погрешностями эксперимента. По мнению авторов работы, наиболее вероятной причиной стало возникновение нового магнитного состояния, вызванного именно механическим растяжением сверхтонкой пленки.

Полученные результаты говорят о том, что магнитные свойства RuO2 не являются постоянными. Их можно изменять или даже «включать», управляя деформацией кристаллической решетки. Это также объясняет, почему предыдущие исследования нередко приходили к противоположным выводам: в объемных кристаллах и более толстых пленках, где механическое напряжение практически отсутствует, подобный эффект мог просто не проявляться.

Открытие особенно важно для исследований альтермагнетиков — нового класса магнитных материалов, интерес к которому стремительно растет в последние годы. В отличие от привычных магнитов, альтермагнетики практически не создают внешнего магнитного поля, но сохраняют магнитный порядок на уровне электронов. Благодаря этому они считаются одним из наиболее перспективных материалов для спинтроники — направления электроники, где для передачи и обработки информации используется не только электрический заряд, но и спин электронов. Такие технологии потенциально позволят создавать более быстрые и энергоэффективные электронные устройства.

При этом авторы исследования пока не спешат с окончательными выводами. Наблюдаемое состояние может оказаться не только проявлением альтермагнетизма, но и слабого ферромагнетизма. Чтобы точно определить природу эффекта, потребуются дополнительные эксперименты.

Есть и еще одно важное ограничение. Все измерения проводились при температуре всего 15 кельвинов (около -258 °C). Пока неизвестно, удастся ли сохранить обнаруженные магнитные свойства при комнатной температуре — а именно это станет ключевым условием для использования материала в реальных электронных устройствах.