Магніт, який втрачає впорядкованість, але не забуває, куди «дивитися», — саме так можна описати дивну поведінку сполуки YbMnBi₂. Вчені виявили в ній незвичайний магнітний стан, який нагадує рідкий кристал і може допомогти пояснити загадкові електричні властивості матеріалу.
Дослідники Університету Райса вивчали YbMnBi₂ за допомогою нейтронних експериментів у лабораторіях Ок-Риджа. Вони хотіли зрозуміти, чому матеріал демонструє надзвичайно сильний аномальний ефект Холла — появу поперечної електричної напруги, пов’язаної з магнітними властивостями речовини.
Зазвичай після нагрівання вище температури магнітного впорядкування спіни в матеріалі втрачають узгодженість і починають поводитися хаотичніше. Але YbMnBi₂ виявився значно цікавішим.
Магнітний порядок зникає, але напрямок залишається
У матеріалі далекого магнітного порядку справді не залишається. Проте спіни марганцю продовжують коливатися у певних переважних напрямках.
Саме це нагадує поведінку рідкого кристала. Його молекули можуть вільно переміщуватися, але водночас зберігають певну орієнтацію. Тому дослідники назвали виявлений стан «магнітним рідким кристалом».
Це важлива деталь, адже раніше незвичайні електричні властивості YbMnBi₂ намагалися пояснити дещо інакше. Одна з версій передбачала, що магнітні спіни в матеріалі нахилені відносно один одного. Однак нові нейтронні вимірювання цього не підтвердили: спіни марганцю залишаються практично колінеарними, тобто зорієнтованими вздовж одного напрямку.
Усе може бути через ітербій
Дослідники звернули увагу на інший компонент матеріалу — ітербій. Для перевірки вони порівняли YbMnBi₂ зі сполукою CaMnBi₂, де магнітний ітербій замінили немагнітним кальцієм. Результат виявився показовим: характерні напрямлені коливання спінів у кальцієвій версії зникли.
Подальші вимірювання показали, що деякі іони ітербію також мають власні магнітні моменти. Вони можуть реагувати на зовнішнє магнітне поле та взаємодіяти зі спінами марганцю. Саме ця взаємодія, за розрахунками команди, може впливати на рух електронів усередині матеріалу.
Нове пояснення дивної електрики
YbMnBi₂ відомий своїм великим аномальним ефектом Холла. Дослідники припускають, що незвичайна взаємодія між ітербієм та спінами марганцю може бути частиною пояснення цього явища. Ідея полягає в тому, що зовнішнє магнітне поле може впорядковувати взаємодію між магнітними моментами і напрямленими спіновими коливаннями, змінюючи рух електронів.
Поки це не означає, що вчені вже повністю розгадали механізм ефекту Холла в YbMnBi₂. Але відкриття показує важливу річ: втрата магнітного порядку не обов’язково означає повний хаос.
У цьому матеріалі спіни перестають утворювати звичайну впорядковану структуру, але зберігають своєрідну «пам’ять» про напрямок. Саме така незвична поведінка може відкрити новий погляд на магнітні матеріали та їхні електричні властивості.
Дослідження опубліковане в журналі Physical Review X.
