Физики впервые увидели странные магнитные вихри в 2D‑магнетике

Группа физиков под руководством исследователей Техасского университета в Остине экспериментально подтвердила давний теоретический прогноз о необычных магнитных состояниях в двумерных материалах. В работе, опубликованной в журнале Nature Materials, учёные наблюдали последовательность экзотических магнитных фаз в кристалле толщиной в один атом — ультратонком слое никель‑фосфор‑трисульфида (NiPS₃). При охлаждении до температур между минус 150 и минус 130 градусов Цельсия материал вошёл в особое состояние, известное как фаза Березинского–Костерлица–Таулесса (BKT‑фаза), где магнетизм организуется в виде крошечных вихрей.​

Эта фаза была теоретически описана ещё в 1970‑х годах, но увидеть полный предсказанный сценарий в одном и том же материале экспериментально долго не удавалось. Ранее учёные фиксировали отдельные элементы перехода, однако сейчас впервые удалось проследить всю последовательность фаз: сначала формирование наномасштабных магнитных вихрей, а затем переход к другому упорядоченному магнитному состоянию при дальнейшем охлаждении. Авторы подчёркивают, что работа напрямую подтверждает ключевые идеи теории двумерного магнетизма и топологических фаз.​

Особый интерес вызывают сами магнитные вихри — топологические объекты, которые как бы «закручивают» направление магнитных моментов в плоскости материала. Руководитель исследования, доцент физики Эдоардо Бальдини, объясняет: «BKT‑фаза особенно интригует, потому что эти вихри, согласно предсказаниям, обладают исключительной устойчивостью и ограничены всего несколькими нанометрами по горизонтали, занимая лишь один атомный слой по толщине». По его словам, именно эта стабильность и миниатюрность открывают возможность «нового пути к управлению магнетизмом на наноуровне» и дают окно в «универсальную топологическую физику в двумерных системах».​

С практической точки зрения результат важен не только как красивое подтверждение фундаментальной теории. Управляемые магнитные вихри наноразмера рассматриваются как потенциальная база для будущих сверхплотных запоминающих устройств и спинтроники — электроники, которая использует не только заряд, но и спин электрона. Авторы работы отмечают, что их эксперимент указывает: многие другие двумерные магнитные материалы тоже могут содержать «скрытые» экзотические фазы, которые пока просто не были правильно идентифицированы.​

«Мы показали, что классический учебниковый сценарий BKT‑перехода можно реализовать в конкретном реальном материале и отслеживать его по шагам», — говорится в комментарии команды, опубликованном вместе со статьёй. Исследователи надеются, что это вдохновит дальнейшие работы по поиску новых топологических состояний в 2D‑кристаллах, включая гетероструктуры на основе графена и других слоистых соединений. В перспективе такие системы могут лечь в основу «ультракомпактных технологий, построенных на тонкой настройке магнетизма в масштабах нескольких нанометров», как подчёркивают авторы.​

Сам факт, что речь идёт о материале толщиной в один атом, показывает, насколько радикально изменяется поведение вещества при переходе к истинно двумерному режиму. В объёмных кристаллах магнитный порядок ведёт себя привычно, но при сильном «утончении» появляются новые законы, где доминируют флуктуации и топологические дефекты вроде этих вихрей. Работы такого рода постепенно формируют фундамент для следующего поколения наноэлектроники и квантовых устройств, где управлять придётся уже не просто током, а сложными конфигурациями полей и спинов на уровне отдельных слоёв.