Скручений біслою став ферромагнетиком під дією лазера

Фізикам вдалося перетворити скручений біслою з діхалькогенідів перехідних металів на ферромагнетик, опромінюючи його лазерним світлом. Теорія показала, що ефект може бути пояснений за допомогою блукаючих ексітонів, які виступають посередниками між спинами, локалізованими в осередках муарової решітки. Дослідження опубліковано в.

Постійний магніт - це чудовий приклад того, як квантова фаза, в якій знаходиться речовина, явно проявляє себе на макроскопічному масштабі. Ферромагнетизм зобов'язаний своїм існуванням колективній взаємодії окремих атомних магнітних моментів. І хоча ми розуміємо, як створюється магнітний порядок у звичайному шматку заліза, ми не може його детально контролювати і вивчати, оскільки доступ до окремих атома в такому випадку ускладнений, а їх величезна кількість робить будь-які такі маніпуляції неефективними.

Новою парадигмою в дослідженні магнітного порядку стали штучні матеріали, в яких можна симулювати феро- і антиферромагнетизм, або відтворювати його в добре контрольованих умовах за допомогою квазіатомів або квазірешеток. До останнього типу відносяться дослідження в слоїстих матеріалах, скручених відносно один одного на невеликі кути. У цьому випадку в матеріалі створюється додаткова періодичність, звана муаровою надгратами. Ми вже розповідали, як фізики знаходили ферромагнетизм, скручуючи парне і непарне число антиферромагнітних шарів іодиду хрому.

Іншим перспективним класом матеріалів стали діхалькогеніди перехідних металів. Наприклад, впровадження домішок на двошаровий дисульфід танталу перетворило його з парамагнетика на ферромагнетик. А зовсім недавно фізики змогли побачити крихкий упорядкований стан електронної щільності - вигнерівський кристал, - скрутивши шар дисульфіду вольфрама щодо диселеніда вольфрама. Зараз вчені активно намагаються збагатити свій інструментарій для управління властивостями носіїв заряду в муарових надрешітках, включивши туди, наприклад, оптичні методи.

Фізики з Гонконгу, США і Японії під керівництвом Яо Ваня (Wang Yao) з Вашингтонського університету і Сяодуна Сюй (Xiaodong Xu) з Гонконгського університету досліджували те, як оптичне збудження може впливати на спін-спинові взаємодії між носіями заряду, локалізованими в осередках муарової надрешітки. Таким способом вони змогли отримати ферромагнітний порядок у скрученому біслому дисульфіді і диселеніда вольфрама.

Для цього фізики створювали гетероструктуру, яка крім дихалькогенідного скрученого біслою складалася з додаткових шарів нітриду бору і графену, а також додаткових електродів, під'єднаних до шарів. Муарова надрешітка, утворена в бісле, мала період рівний 7,5 нанометра. Керуючи напругами на електродах, автори могли заповнювати її комірки дірками або електронами в потрібній концентрації.

Потім фізики опромінювали зразок лазерними імпульсами змінної кругової поляризації. Це, з одного боку, резонансно збуджувало в селенді вольфрама екситони, які практично відразу ставали міжшаровими, а з іншого - допомагало виміряти магнітний круговий дихроїзм за інтенсивністю відбиття світла від зразка. Різниця у відбитті світла з різною поляризацією несе інформацію про намагніченість поверхні.

Автори вивчали те, як залежить цей різностний сигнал від ступеня заповнення комірок муарової надрешітки і від доданого магнітного поля. Вони виявили, що для випадків однієї дірки на три і на сім комірок намагніченість зразка змінювалася неоднаково залежно від того, в якому напрямку - зменшення або збільшення - змінювалося магнітне поле. Іншими словами, дослідники спостерігали гістерезу, характерну для ферромагнітних матеріалів.

Фізики детально досліджували, як залежать властивості цих петель від інших умов експерименту: концентрації дірок, температури і потужності лазера. Вони з'ясували, що гістереза з'являється тільки починаючи з деякого порогу накачування, а її ширина насичується з її ростом. Крім того, вони визначили відповідні температури Кюрі, при яких зразок здатний утримувати намагніченість, які також залежали від умов експерименту.

Автори припустили, що спостережувані закономірності могли б бути пояснені за допомогою блукаючих екситонів, яких тим більше, чим інтенсивніше лазерне світло. Як показали їхні оцінки, такі ексітони могли б стати посередниками між спинами спійманих у муарових осередках дірок, забезпечуючи сильну далекодіючу взаємодію, без якої неможливе утворення ферромагнітної фази. На жаль, моделювання самої петлі гістерезису ускладнене через те, що для цього необхідно вирішити нерівноважне завдання багатьох тіл.

З кожним роком у фізиків зростає розуміння того, що являють собою муарові ексітони. Нещодавно вчені змогли виміряти просторовий розподіл електрона і дірки у такої квазічастинки.