Первооткрыватель антиферромагнетиков (соединений кобальта, марганца или железа), лауреат Нобелевской премии по физике 1970 года Луи Неель называл их бесполезными. Однако сегодня это один из самых перспективных материалов для создания сверхмалых оптомагнитных интегральных устройств, необходимых для появления связи нового поколения. В отличие от знакомых обывателю ферромагнетиков (например, магнитов на холодильниках), они не могут прилипать друг к другу из-за отсутствия макроскопического магнитного момента. Несмотря на это, в антиферромагнетиках энергия их возбуждений, магнонов или спиновых волн, лежит в сверхвысокочастотном терагерцовом диапазоне 6G, что может найти применение в микроустройствах для сверхбыстрой обработки и передачи информации.
Научный сотрудник Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники Михаил Просников совместно с коллегамииз ФТИ имени А. Ф. Иоффе (Санкт-Петербург) илаборатории сильных магнитных полей (HFML-FELIX, университет Радбауда, Нидерланды) исследовал физические свойства одного из антиферромагнетиков — титаната кобальта (CoTiO3). Цель экспериментов — изучить сложную взаимодействующую решеточно-магнито-орбитальную динамику и измерить эффект Зеемана в квазичастицах — фононах.
«Мы использовали уникальные монокристаллы CoTiO3, выращенные известным кристаллографом Анатолием Михайловичем Балбашовым в Московском энергетическом институте. Они одновременно сочетают различные типы динамики: решеточную, спиновую и орбитальную. Хорошо известно, что магнитное поле практически не оказывает на обычные фононы никакого влияния. Однако в некоторых системах возможно смешивание различных возбуждений и тогда у некоторых из них появляется магнитный момент. Частота одной из квазичастиц возрастает, а другой уменьшается. Это и называется эффектом Зеемана», — отмечает Михаил Просников.
Сложность исследования — в необходимых и уникальных условиях для проведения экспериментов, доступных всего в нескольких местах на планете. Для работы с CoTiO3 необходимо охладить вещество до температуры жидкого гелия — 4,2 К (минус 268,93 градуса Цельсия) — всего на четыре градуса выше абсолютного нуля. Кристалл помещался в поле 30 Тесла, что в 600 тысяч раз сильнее магнитного поля Земли. Именно такие экстремальные условия позволяют лучше понять природу вещества и особенности взаимодействия квазичастиц в нем.
Благодаря методу Рамановской спектроскопии — рассеиванию лазерного излучения — ученым удалось наблюдать большое количество различных возбуждений, фононов, магнонов и спин-орбитальных экситонов, а также выявить уникальные особенности в их взаимодействии.
«Как бы парадоксально это ни звучало, зачастую исследования в сверхсильных магнитных полях до 30 Тесла позволяют лучше понять физику системы в отсутствие любого внешнего магнитного поля. Фундаментальная значимость работы, в первую очередь, лежит в поиске и глубоком изучении динамики новых антиферромагнитных материалов. Нам удалось экспериментально доказать, что смешанная динамика оказалась значительно сложнее, чем считалось ранее, из-за интенсивного взаимодействия фононов со спин-орбитальными экситонами. Такое гибридное взаимодействие различных типов динамики может открыть путь к управлению подсистемами в магнетиках», — пояснил ученый НИУ ВШЭ — Санкт-Петербург.
В дальнейшем ученые планируют продолжить исследование кристаллов титаната кобальта, но в магнитном поле меньшей силы. Михаил Просников отметил, что в ходе экспериментов в диапазоне около 1 Тесла были зафиксированы аномалии в решеточной динамике, которые требуют дополнительного изучения. В отдаленной перспективе такие эксперименты открывают возможность управлять динамикой магнетиков, что потенциально позволит ускорить внедрение технологий связи 6G и квантовых соединений для систем обмена и хранения информации.