Преди повече от половин век японският физик Йосуке Нагаока изказва теория за начина, по който магнитното поле може да се разшири от криволичещите електрони, непрестанно търсещи място за почивка, която коренно се различава от традиционните модели на феромагнетизма.

Феноменът, наблюдаван наскоро в купчина полупроводници, може да бъде обяснен с предположенията на Нагаока, като в същото време се появяват няколко непредвидени изненади.

В експеримент, ръководен от изследователи от Швейцарски федерален технологичен институт в Цюрих, решетки от два различни синтетични материала, тънки едва няколко атома, са наложени една върху друга като страници в най-тънката книга в света, за да се създаде повтарящ се ефект, известен като моаре.

"През последните години този род моаре материали предизвикаха голям интерес, тъй като могат да се използват за изследване на квантовите ефекти на силно взаимодействащи електрони", обяснява старшият автор на изследването и физик Атач Имамоглу.

"Досега обаче се знаеше много малко за магнитните им свойства."

Магнетизмът е екипно усилие на множество електрони, които се подреждат по силата на квантов договор, диктуван от свойство, наречено спин.

За разлика от въртенето на кълбо, спинът на електрона е двоична характеристика. То никога не е бързо или бавно, а само нагоре или надолу. Или, ако си ги представите като миниатюрни магнити, на север или на юг.

Ако подредите достатъчно много от тези миниатюрни магнити, така че спиновете им да се изравнят, тяхното колективно поведение ще позволи на нещо като обикновена буца желязо да залепи рисунката на усмихнат слънчоглед на племенницата ви на вратата на хладилника.

Споразумението за това в каква посока да се подредят се постига благодарение на взаимодействието между електроните, които седят спокойно на задните седалки на атома. Квантовият закон повелява, че електроните с един и същ спин наистина трябва да стоят далеч един от друг, което при подходящи обстоятелства създава модел, който засилва техния магнетизъм.

През 60-те години на миналия век Нагаока осъзнава, че подобен вид подреждане може да се образува чрез съвсем различно споразумение, което се определя не от обмена, основан на спиновете на електроните, а от тяхното странстване.

Той си представя решетка, която наподобява градски пейзаж, населен с електрони, които седят по ъглите на улиците като нетърпеливи улични изпълнители. Той осъзнава, че дори и един ъгъл да остане празен, електроните веднага ще се преместят на него в желанието си да се отдалечат колкото се може повече от останалите. Всеки техен „скок“ ще оставя ново свободно място и по улиците ще се образуват нови и нови дупки.

На фона на всичко това е напълно възможно да възникне същият широкомащабен ефект на спиновете, който да генерира по-пресилено магнитно поле.

"Досега такива механизми за кинетичен магнетизъм са откривани само в моделни системи, например в четири свързани квантови точки, но никога в разширени твърдотелни системи като тази, която използваме ние", казва Имамоглу.

Тази система се състои от шест слоя от два различни полупроводника: молибденов диселенид и волфрамов дисулфид. Подобно на решетките на Нагаока, всяка от тях може да бъде подредена една върху друга по начин, който създава "улични ъгли" от ефекта на моаре на пространствата между слоевете.

След като тънките слоеве са охладени докрай, за да се отстранят възможно най-много топлинни колебания, е приложено напрежение, за да се изпрати поток от електрони.

Разбира се, всеки „уличен изпълнител“ намира своя ъгъл на улицата, за да се отличи със свой собствен спин. И все пак, за разлика от представите на Нагаока, магнетизмът се появява едва след като има значителен излишък от електрони.

Вместо да бъдат примамени в магнитна хармония от обещанието за празни пространства, конкуренцията за хармонично място за игра генерираше краткотрайни двойни действия, известни като дублони.

Достатъчно много от тези краткотрайни партньорства предизвикват магнетизиране на материала по начин, който физиците не са виждали досега.

Макар че процесът едва ли ще доведе скоро до някаква нова технология (или до начини за задържане на рисунки на слънчогледи върху хладилници), той дава на изследователите представа за поведения, които биха могли да послужат за основа на електрониката на бъдещето.

Това изследване е публикувано в Nature.

Източник: Science Alert