Austrijos Teksaso universiteto Ostine fizikai eksperimentiškai patvirtino prieš kelis dešimtmečius pasiūlytą teoriją, aprašančią, kaip magnetizmas elgiasi ypač plonuose sluoksniniuose medžiagose.
Atšaldę atominiu mastu ploną nikelio fosforo trisulfido (NiPS3) kristalą, mokslininkai užfiksavo visą seką egzotinių magnetinių fazių, kurios buvo numatytos dar XX a. aštuntajame dešimtmetyje, tačiau iki šiol nebuvo pilnai pademonstruotos vienoje sistemoje.
Pagrindinis proveržis susijęs su dviem skirtingais magnetiniais virsmais, vykstančiais medžiagą aušinant iki itin žemos temperatūros.
Kiekviena iš šių fazių anksčiau buvo stebėta atskirai, tačiau tyrėjams niekada nepavyko viename eksperimente nuosekliai užfiksuoti abiejų virsmų ir taip pilnai patvirtinti teorinio modelio.
Eksperimentai buvo atliekami su vos vieno atomo storio NiPS3 sluoksniais. Kai temperatūra sumažėjo iki maždaug –150 – –130 °C, medžiaga perėjo į retą būseną, vadinamą Berezinskii–Kosterlitz–Thouless (BKT) faze.
Šioje fazėje atomų magnetiniai momentai susidėlioja į sūkurines, į verpetus panašias struktūras.
Tokie verpetai formuojasi poromis ir sukasi priešingomis kryptimis – vienas laikrodžio rodyklės kryptimi, kitas prieš laikrodžio rodyklę. Šios poros išlieka glaudžiai susijusios, sudarydamos unikalią topologinę būseną, kuri yra visiškai apribota vienu atominiu sluoksniu.
Sūkuriai nanometrų masteliu
„BKT fazė yra ypač įdomi, nes numatoma, kad šie verpetai yra išskirtinai stabilūs ir šonine kryptimi tėra kelių nanometrų dydžio, tuo pačiu užimdami tik vieną atomų sluoksnį storio“, – teigė „The University of Texas at Austin“ fizikos profesorius Edoardo Baldini, vadovavęs šiam tyrimui.
„Dėl savo stabilumo ir itin mažų matmenų šie verpetai atveria naują kelią magnetizmui valdyti nanomasteliu ir suteikia naujų įžvalgų apie universalią topologinę fiziką dvimačiuose sistemose.“
BKT fazė pavadinta ją aprašiusių teoretikų Vadimo Berezinskii ir Nobelio premijos laureatų J. Michaelo Kosterlitzo bei Davido Thoulesso vardais. Jų teoriniai darbai, nuodugniai apibūdinę tokio tipo fazių virsmus, buvo įvertinti 2016 m. Nobelio fizikos premija.
Toliau mažinant temperatūrą, medžiaga perėjo į antrą magnetinę būseną, vadinamą šešiabūsle tvarkos faze (angl. six-state clock ordered phase). Šioje fazėje magnetiniai momentai jau nebesisuka laisvai, o „užsirakina“ vienoje iš šešių tarpusavyje simetriškų krypčių.
Pagaliau patvirtinta teorija
„Mūsų darbas parodo visą fazių seką, kuri, remiantis dvimačiu šešiabūslio laikrodžio modeliu, turėtų atsirasti tokiose sistemose, ir nustato sąlygas, kuriomis nanoskalės magnetiniai verpetai natūraliai susiformuoja grynai dvimačiame magnete“, – aiškino Baldini.
Šešiabūsle laikrodžio modelis jau seniai laikomas vienu iš teorinės kondensuotųjų būsenų fizikos pamatinių modelių. Dar XX a. septintajame–aštuntajame dešimtmečiuose pasiūlytas modelis prognozuoja specifinę magnetinių fazių seką dvimačiuose magnetuose, tačiau iki šiol jokiam eksperimentui nepavyko vienoje realioje medžiagoje užfiksuoti visos prognozuotos kaitos.
Naujausi rezultatai rodo, kad ir kitos dvimatės magnetinės medžiagos gali slėpti analogiškas, iki šiol neatskleistas fazes.
Manoma, kad galimybė valdyti tokius nanometrinio dydžio verpetus ateityje leis kurti itin kompaktiškus įrenginius – pavyzdžiui, drastiškai sumažinti magnetinių atminties ar loginės paskirties komponentų matmenis.
Tolimesniuose tyrimuose planuojama ieškoti būdų stabilizuoti šias egzotines fazes aukštesnėje temperatūroje, galbūt priartėjant net prie kambario temperatūros. Tokiu atveju šie reiškiniai iš grynai fundamentalių, kriogeninėmis sąlygomis tiriamų efektų galėtų peraugti į praktiškai pritaikomas technologijas.
