Fyzici potvrdili 50 let starou teorii magnetismu v atomově tenkém materiálu: Otevírá cestu k miniaturním pamětem

Fyzici z Texaské univerzity v Austinu dosáhli významného vědeckého průlomu, když experimentálně potvrdili desítky let starou teorii popisující chování magnetismu v ultratenkých materiálech. Jejich objev otevírá nové možnosti pro budoucí technologické inovace, zejména v oblasti ultratenkých elektronických zařízení.

Tým vědců ochladil atomově tenký krystal trisulfidu niklu a fosforu (NiPS3) a pozoroval celou sekvenci exotických magnetických fází, které byly předpovězeny již v 70. letech minulého století, ale nikdy nebyly plně demonstrovány v jediném systému. Tento objev je klíčový, protože se zaměřuje na dva odlišné magnetické přechody, které nastávají při ochlazování materiálu na extrémně nízké teploty.

Zatímco každý z těchto přechodů byl v minulých experimentech pozorován nezávisle, vědcům se nikdy nepodařilo zachytit oba v posloupnosti, což by doplnilo teoretický obraz. Nyní se to podařilo díky experimentům prováděným na vrstvách NiPS3 o tloušťce pouhého jednoho atomu.

Objev fází BKT a šestistavového hodinového modelu

Když teplota klesla mezi –150 a –130 °C, materiál vstoupil do vzácného stavu známého jako Berezinského–Kosterlitzova–Thoulessova (BKT) fáze. V tomto stavu se atomové magnetické momenty uspořádají do vířivých vzorů. Tyto víry se tvoří v párech, rotují v opačných směrech – jeden po směru hodinových ručiček a druhý proti. Spárované struktury zůstávají pevně svázané, čímž vytvářejí jedinečný topologický stav omezený na jedinou atomovou vrstvu.

BKT fáze je obzvláště fascinující, protože se předpokládá, že tyto víry jsou výjimečně robustní a omezené na pouhých několik nanometrů laterálně, zatímco v tloušťce zabírají pouze jednu atomovou vrstvu, uvedl Edoardo Baldini, odborný asistent fyziky na Texaské univerzitě a vedoucí výzkumu. Díky své stabilitě a extrémně malé velikosti nabízejí tyto víry novou cestu k řízení magnetismu v nanoměřítku a poskytují vhled do univerzální topologické fyziky ve dvourozměrných systémech. BKT fáze je pojmenována po teoreticích Vadimu Berezinském a nositelích Nobelovy ceny J. Michaelu Kosterlitzovi a Davidu Thoulessovi, kteří tento typ fázového přechodu popsali před desítkami let. Jejich práce jim vynesla Nobelovu cenu za fyziku v roce 2016.

Jak tým materiál dále ochlazoval, vstoupil do druhého magnetického režimu známého jako šestistavová hodinová uspořádaná fáze. V tomto stavu se magnetické momenty již volně nevíří, ale místo toho se uzamknou do jednoho ze šesti směrů souvisejících se symetrií. „V této fázi naše práce demonstruje celou sekvenci fází očekávaných pro dvourozměrný šestistavový hodinový model a stanovuje podmínky, za nichž se v čistě dvourozměrném magnetu přirozeně objevují magnetické víry v nanoměřítku,“ řekl Baldini.

Důsledky pro budoucí technologie

Šestistavový hodinový model dlouho sloužil jako základní rámec v teoretické fyzice kondenzovaných látek. Navržený v 70. letech minulého století, předpovídá specifickou sekvenci magnetických přechodů ve dvourozměrných systémech. Až dosud žádný experiment nezachytil tento plný průběh v reálném materiálu. Zjištění naznačují, že i jiné dvourozměrné magnetické materiály mohou hostit podobné skryté fáze.

Vědci věří, že schopnost manipulovat s takovými víry v nanoměřítku by mohla nakonec podpořit ultratenká zařízení, potenciálně zmenšující magnetické paměti nebo logické komponenty na dosud nevídané rozměry. Budoucí práce se zaměří na stabilizaci těchto exotických fází při vyšších teplotách, možná dokonce blížících se pokojové teplotě. Pokud by se to podařilo, posunulo by to fyziku z kryogenních laboratoří směrem k praktickým technologiím. Studie byla publikována v prestižním časopise Nature Materials.