Austino Teksaso universiteto fizikai eksperimentiškai patvirtino dar prieš kelis dešimtmečius pasiūlytą teoriją, aiškinančią, kaip magnetizmas elgiasi itin plonuose sluoksniniuose medžiagose.
Atšaldę atominiu mastu ploną nikelio fosforo trisulfido (NiPS3) kristalą, mokslininkai užfiksavo visą egzotinių magnetinių fazių seką. Šios fazės buvo numatytos dar XX a. aštuntajame dešimtmetyje, tačiau iki šiol nebuvo nuosekliai pademonstruotos vienoje sistemoje.
Pagrindinis proveržis siejamas su dviem skirtingais magnetiniais virsmais, vykstančiais medžiagą aušinant iki itin žemos temperatūros. Nors kiekviena iš šių fazių anksčiau buvo stebėta atskirai, tyrėjams dar nebuvo pavykę vieno eksperimento metu nuosekliai užfiksuoti abiejų virsmų ir taip pilnai patvirtinti teorinio modelio.
Eksperimentai atlikti su vos vieno atomo storio NiPS3 sluoksniais. Temperatūrai nukritus maždaug iki –150– –130 °C, medžiaga perėjo į retą būseną, vadinamą Berezinskio–Kosterlico–Tauleso (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 apsiriboja 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 Austino Teksaso universiteto 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 Berezinskio ir Nobelio premijos laureatų J. Michaelo Kosterlico bei Davido Tauleso vardais. Jų darbai, išsamiai apibūdinę tokio tipo fazių virsmus, 2016 m. buvo įvertinti Nobelio fizikos premija.
Temperatūrą mažinant toliau, medžiaga perėjo į antrą magnetinę būseną – vadinamą šešiabūslę tvarkos fazę (angl. six-state clock ordered phase). Joje magnetiniai momentai nebesiorientuoja 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 E. Baldini.
Šešiabūslio laikrodžio modelis jau seniai laikomas vienu svarbiausių teorinės kondensuotųjų būsenų fizikos modelių. XX a. septintajame–aštuntajame dešimtmečiuose pasiūlyta teorija prognozuoja specifinę magnetinių fazių seką dvimačiuose magnetuose, tačiau iki šiol nė viename eksperimente nepavyko vienoje realioje medžiagoje užfiksuoti visos prognozuotos kaitos.
Naujausi rezultatai leidžia manyti, kad ir kitos dvimatės magnetinės medžiagos gali slėpti panašias, iki šiol neatskleistas fazes.
Manoma, jog galimybė valdyti tokius nanometrinio dydžio verpetus ateityje gali leisti kurti itin kompaktiškus įrenginius, pavyzdžiui, ženkliai sumažinti magnetinės atminties ar loginių komponentų matmenis.
Tolesniuose tyrimuose planuojama ieškoti būdų stabilizuoti šias egzotines fazes aukštesnėje temperatūroje, galbūt priartėjant net prie kambario temperatūros. Tokiu atveju šie reiškiniai iš fundamentalių, kriogeninėmis sąlygomis tiriamų efektų galėtų peraugti į praktiškai pritaikomas technologijas.
