Международный коллектив ученых из России и Тайваня исследовал механизм появления необычного сочетания магнитных свойств в монокристаллах полуметаллов Вейля — инновационных материалах, которые могут быть использованы в микроэлектронике и при создании квантовых компьютеров. Кроме того, было впервые продемонстрировано появление эффекта метамагнетизма в полуметалле Вейля.

Результаты исследования опубликованы в научном журнале Condensed Matter.

Полуметаллы Вейля представляют собой инновационные кристаллические структуры с необычным состоянием электронов. Они были описаны в ХХ веке, однако все еще остаются экспериментально малоизученными. Такие структуры ученые считают перспективными для применения в микроэлектронике и создании квантовых компьютеров, проводящих сверхбыстрые вычисления.

Уникальность полуметаллов в том, что они имеют нетривиальную топологию электронных зон, отличающуюся от топологии окружающего нас пространства. Топология — это характеристика объектов с точки зрения их преобразования под действием непрерывной деформации, в частности связности отдельных элементов. Например, шар и бублик относятся к разным топологическим классам, поскольку две любые точки шара можно соединить между собой отрезком, не выходя за его пределы, а у бублика — нет.

Добавление примесей — легирование — полуметаллов Вейля парамагнитными ионами может приводить к появлению магнитного упорядочения в этих материалах, которое зависит от вида и концентрации примесей и серьезно меняет свойства полуметаллов. Например, иногда в одном кристалле сосуществуют различные типы магнитного порядка. Когда возникает внутреннее магнитное поле, в кристаллах можно наблюдать явления, в целом не свойственные чистым полуметаллам Вейля, например аномальный квантовый эффект Холла.

Однако вопрос механизмов и причин появления таких необычных свойств, влияющих на эффективность применения таких материалов на практике, недостаточно изучен. Ученым Санкт-Петербургского университета удалось понять характер появления этих свойств на примере случая легирования ионами железа.

«Мы провели детальные магнитные измерения и выявили эволюцию магнитного упорядочения с изменением концентрации примесей. Хотя доминирующим видом магнитного порядка является ферромагнетизм, в данном случае проявляются также и обратные, антиферромагнитные свойства и пространственно-модулированные структуры. Это в первую очередь связано с неоднородным распределением ионов железа по объему кристалла и сложной природой магнитной связи ионов», — объяснила профессор кафедры физики твердого тела СПбГУ Елена Чарная.

Помимо этого физики СПбГУ обнаружили в полуметаллах Вейля интересное явление — метамагнетизм, обусловленный подвижными носителями заряда. Этот так называемый зонный метамагнетизм характеризуется резким увеличением намагниченности при приложении внешнего магнитного поля в материалах с металлической проводимостью. Такие эффекты наблюдаются нечасто, в отличие от хорошо известной переориентации спинов магнитным полем в антиферромагнетиках. В полуметаллах Вейля возможность появления метамагнетизма была продемонстрирована впервые.

Полученные результаты позволяют лучше понять свойства и механизмы получения перспективных материалов, что важно не только с фундаментальной, но и с прикладной точки зрения — в частности, для разработки новых устройств спинтроники, позволяющих управлять транспортом с помощью магнитного поля.

Исследования проводились в Центре диагностики функциональных материалов для медицины, фармакологии и наноэлектроники Научного парка СПбГУ на уникальном оборудовании для точного измерения магнитных свойств материалов в широком диапазоне температур и магнитных полей.