НОВЫЙ ТИП МАГНИТА РАБОТАЕТ ПРИ КОМНАТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ

Электроны несут заряд, но также и спин — крошечный встроенный магнит, направленный «вверх» или «вниз». Спинтроника стремится использовать спин для хранения и обработки информации. В последние годы физики нашли магнитные материалы с поразительным свойством: у них нет суммарной намагниченности, но энергия электронов всё же зависит от спина, причём эта зависимость меняется с направлением движения. Такое «спиновое расщепление» не опирается на релятивистские эффекты, поэтому оно велико.

В одних таких материалах, называемых альтермагнетиками, картина симметрична: электрон, движущийся в одну сторону, и электрон, движущийся в противоположную, видят один и тот же спин. В p-волновых магнетиках всё наоборот: поменяйте направление движения — и спин тоже перевернётся. До сих пор известные p-волновые магнетики работали только ниже температуры жидкого азота.

Спираль, спрятанная в знакомом кристалле

Кайвэнь Шэнь, Сяньчжэ Чэнь, Либор Шмейкал и их коллеги из Фуданьского университета в Шанхае, двух институтов Общества Макса Планка в Дрездене и других организаций Китая и Чехии обратились к ферриту висмута (BiFeO₃). Это один из самых изученных «мультиферроиков» — материалов, одновременно магнитных и сегнетоэлектрических, то есть обладающих встроенной электрической поляризацией. Он сохраняет магнитный порядок примерно до 640 кельвинов (намного выше комнатной температуры) и сегнетоэлектрические свойства — до 1100 кельвинов.

Внутри него магнитные моменты атомов железа не выстроены в одну линию: они шаг за шагом поворачиваются вдоль спирали, называемой циклоидой. Команда показывает, что одна эта спираль порождает p-волновой магнетизм — механизм, который, по словам авторов, прежде упускали из виду.

Теория, затем лазер

• Расчёты электронов кристалла дают чистую p-волновую спиновую картину со спиновым расщеплением около 100 миллиэлектронвольт. Учёт релятивистских эффектов её почти не меняет: эффект происходит от самого магнитного порядка.
• Когда спираль закручена в другую сторону — левая вместо правой, — спиновая картина меняется на обратную.
• В лаборатории исследователи вырастили плёнку феррита висмута толщиной 100 нанометров и получили изображение её магнитной спирали с помощью квантового датчика с алмазным острием.
• Чтобы считать спины, плёнку освещали лазером с круговой поляризацией. Свет, закрученный в одну сторону, возбуждает электроны с одним спином сильнее, чем с другим, создавая небольшой электрический ток, знак которого следует за направлением спина. При вращении образца ток достигал максимума точно в направлении, предсказанном для p-волновой спиновой поляризации. Все эти измерения проводились при комнатной температуре, на открытом воздухе.

Переворот спинов напряжением

Ключевая особенность: в феррите висмута направление закрутки спирали жёстко связано с электрической поляризацией. Переверните одно — последует и другое.

Команда подавала на плёнку электрические импульсы напряжённостью около 300 киловольт на сантиметр. Поляризация поворачивалась, спираль меняла направление закрутки, а ток, наведённый лазером, менял знак: положительный после одного импульса, отрицательный — после противоположного. В зависимости от приложенного поля ток описывал петлю гистерезиса, совпадающую с переключением поляризации кристалла. Изменение обратимо и сохраняется после импульса.

Электрические импульсы переворачивают поляризацию и направление закрутки спирали (a); устройство (b); спиновый ток меняет знак (c) и описывает петлю гистерезиса в зависимости от электрического поля (d). — Рисунок 3, Shen et al. (2026), arXiv:2610.12892.

Из холода — на рабочий стол

Авторы представляют его как магнит с нечётным по чётности спиновым расщеплением, управляемым напряжением при комнатной температуре, и видят в нём путь к спинтронным устройствам с низким энергопотреблением. Результаты получены на тонких плёнках в лаборатории; никаких устройств, кроме переключения измеряемого сигнала, пока не продемонстрировано.