Физики обнаружили ферромагнитный порядок, скручивая относительно друг друга антиферромагнитные бислои трииодида хрома. Это оказалось неожиданным, так как простое сложение антиферромагнитных частей обычно не приводит к появлению намагниченности. Они объяснили эффект возникновением спиновых фрустраций в муаровой сверхрешетке, которые разрушают обычный порядок в бислоях.

Исследование опубликовано в Nature Physics.

Если расположить два атомных кристаллических слоя один поверх другого под некоторым углом, то получающееся несовпадение структур сформирует из них муаровую сверхрешетку. Таким способом можно в широком диапазоне варьировать электронные, магнитные и оптические свойства получившейся гетероструктуры, меняя лишь угол поворота. Наибольшего прогресса удалось достичь, модулируя зарядовую плотность состояний в кристалле, что позволило увидеть новые явления, как для электронов, так и для экситонов.

Возможности управления магнитными же свойствами пока исследованы преимущественно теоретиками. Они показали, что в муаровых сверхрешетках можно будет увидеть неколлинеарный и топологический магнетизм, а также возбуждать магноны с новыми свойствами. Причина в таком отставании заключается в малом количестве материалов, способных демонстрировать подходящее магнитное поведение в однослойной кристаллической фазе. Одними из таких материалов оказались тригалогениды хрома, демонстрирующие в зависимости от модификации, как ферромагнетизм, так и антиферромагнетизм. Сегодня ученые активно исследуют то, какие необычные свойства можно получить, создавая муаровые сверхрешетки в скрученных гетероструктурах на их основе.

Одной из работ в этом направлении стало исследование, проведенное американскими и китайскими физиками при участии Люянь Чжао (Liuyan Zhao) из Мичиганского университета. Они использовали в качестве источника информации о намагниченности рамановский сигнал и выяснили, что при некотором угле скручивания в двойном бислое трииодида хрома поведение спинов не может быть описано простой суперпозицией свойств нескрученных структур.

Рамановский спектр можно зафиксировать при возбуждении образца когерентным лазерным лучом. Переизлученный им свет может включать в себя компоненты, которые соответствуют релаксации через колебательные степени свободы, например, фононы. При наличии магнитного поля часть света будет излучаться с перпендикулярной поляризацией. Анализируя эти компоненты, можно проводить магнитометрию образца.

Физики использовали эту технику, чтобы выяснить, как меняются магнитные свойства скрученных гетероструктур на основе триодида хрома в зависимости от угла. Они изготавливали отдельные бислои, после чего накладывали их друг на друга, меняя угол скрученности в диапазоне от нуля до пяти градусов. Несовпадение кристаллических решеток приводит к разбиению образца на домены, в которых участки поверхности бислоев испытывают сильную связь, разделенные границами, в которых эта связь отсутствует.

Оказалось, что для исследованного диапазона углов рамановские спектры могут быть с высокой точностью описаны как линейная комбинация спектров чистых двухслойных и четырехслойных кристаллов. Эти результаты согласуются с представлением о том, что суммарный магнетизм скрученного образца описывается как сумма вкладов отдельных доменов и границ. В первом случае сильная связь делает кристалл четырехслойным, а во втором — дважды двуслойным.

После этого физики исследовали то, как спектральные компоненты изменяются при наложении различных магнитных полей. В отсутствие магнитного поля обычный бислой триодида хрома представляет собой антиферромагнетик, в котором намагниченности обоих слоев противонаправлены. При некотором значении поля бислой переходит в ферромагнитное состояние за счет переворота намагниченности одного из слоев. Похожим образом себя ведет и четырехслойный кристалл, испытывая два таких перехода. Авторы убедились в этом, наблюдая за изменениями характерных рамановских пиков.

Когда ученые стали изучать скрученные двойные бислои, они обнаружили что для очень маленьких (несколько долей градуса) и сравнительно больших (несколько градусов) углов зависимости компонент от угла тоже могут быть описаны как суперпозиция зависимостей для двух предельных случаев. Пропорции этой суперпозиции оказались в хорошем согласии с геометрическими долями доменов и границ, которые авторы вычислили по изображениям с просвечивающего электронного микроскопа.

Изменение всего рамановского триплета и его отдельных компонент для четырехслойного (первый стобец) и двухслойного (последний столбец) кристалла, а также для различных углов скручивания. Для второго и четвертого столбца показан результат аппроксимации зависимости с помощью линейной комбинации предельных случаев. / Hongchao Xie et al. / Nature Physics, 2021

Однако для угла, равного 1,1 градуса, зависимость оказалась неожиданно сложной, содержащей резкие пики и провалы, которые невозможно описать простой линейной комбинацией. Облучая такой образец светом с различной круговой поляризацией, физики обнаружили магнитный дихроизм, который демонстрировал гистерезис, свойственный ферромагнетикам.

Авторы объяснили наличие такой нескомпенсированной намагниченности спиновыми фрустрациями, вызванными муаровой сверхрешеткой, которые дестабилизируют антиферромагнитный порядок. Физики отметили, что на данный момент не существует теории, которая могла бы количественно описать увиденный ими эффект. Они также полагают, что его всестороннее изучение с помощью других физических методов поможет получить больше информации о его механизме.