Совместной группе физиков из России, Великобритании, Франции, Германии и Нидерландов впервые удалось измерить характеристики так называемого обменного взаимодействия Дзялошинского—Мориа в слабых ферромагнетиках, благодаря новым экспериментальным техникам на основе синхротрона. Это достижение имеет значение не только для разработки новых магнитных материалов для таких сфер применения, как компьютерные хранилища данных высокой плотности, но также поможет расширить наше понимание основных физических процессов, происходящих в ферро- и антиферромагнетиках.

Ферромагнитные материалы активно используются в современных электронных устройствах. В основном они применяются для хранения данных в компьютерных системах. Подобные материалы содержат в себе упорядоченные магнитные моменты, которые направлены параллельно друг другу. Такое упорядочение относится к чисто квантовым явлениям и обуславливается обменным взаимодействиям.

Существуют и более сложные виды магнитного упорядочения, к примеру, характерные для антиферромагнетизма (в этом случае половина магнитных моментов направлена в одну сторону, а другая половина – в противоположную).

Слабые ферромагнетики являются важным подклассом магнитных материалов, которые по большей части относятся к антиферромагнетикам, но при этом имеют небольшой угол между направлениями магнитных моментов (они не строго антипараллельны друг другу). Это приводит к проявлению ферромагнетизма в перпендикулярном направлении. Самый известный слабый ферромагнетик – гематит или оксид железа.

Около 50 лет назад два физика – Игорь Дзялошинский и Тору Мориа – предположили о существовании нового типа квантового магнитного взаимодействия в этих материалах, определяющего угол между магнитными моментами и, соответственно, слабый ферромагнетизм. Как впоследствии выяснилось,

взаимодействие Дзялошинского-Мориа (как стали его называть) действительно является частью спин-орбитального взаимодействия. Именно оно способствует перпендикулярной, а не обычной параллельной и антипараллельной связи магнитных моментов.

Взаимодействия Дзялошинского–Мориа вызывает периодические колебания магнитных моментов в слабых ферромагнетиках или их медленное непрерывное вращение в ряде других материалов, например, в феррите висмута.

Таким образом, данное взаимодействие ответственно также за магнитоэлектрический эффект в мультиферроиках (материалах, которые отличаются одновременно магнитным и электрическим упорядочением) и в недавно обнаруженном состоянии вещества, получившем название скирмиона.

Однако проблема заключается в том, что о взаимодействии Дзялошинского-Мориа известно на сегодняшний день достаточно мало; даже знак его измерить до сих пор не представлялось возможным.

Совместная группа ученых из России, Великобритании, Франции, Германии и Нидерландов, похоже, решила эту проблему. В рамках своего эксперимента ученые определили фазы рассеяния рентгеновских лучей от антиферромагнитного материала – бората железа, что помогло сделать выводы о характере взаимодействия.

Как рассказали сами ученые,

измерение интенсивности рентгеновского излучения, дифрагирующего от структуры магнитной решетки (а не от обычной атомной решетки), стало настоящим вызовом, поскольку это взаимодействие настолько слабо, что полезный сигнал оказывается в миллионы раз слабее, чем обычный (поэтому чаще всего этот сигнал не наблюдается).

В прошлом выполнить подобные измерения можно было, только с помощью нейтронной дифракции, но благодаря развитию современной синхротронной техники, это стало возможным и для рентгеновской части спектра.

На основе полученного рассеяния ученые смогли сделать вывод о знаке взаимодействия Дзялошинского–Мориа. По мнению исследователей,

полученная информация уже помогла им лучше предсказать, как ведут себя магнитные моменты в нескольких важных классах слабых ферромагнетиков.

И научная группа уже активно исследует с помощью предложенной техники другие слабые ферромагнетики, такие как карбонаты.

Основной целью этих исследований является понимание того, как изменяется знак взаимодействия Дзялошинского-Мориа, в зависимости от структуры материала.

Подробные результаты работы ученых опубликованы в журнале Nature Physics.