Дослідники з Університету Іллінойсу зробили відкриття, яке може змінити підхід до створення нових матеріалів і електронних технологій. Вони виявили, що два явища у фізиці твердого тіла — електронна поведінка в двовимірних матеріалах і магнітні процеси — можуть описуватися однією і тією ж математичною моделлю. Раніше ці напрямки науки вважалися майже незалежними.
Йдеться про властивості матеріалів, що складаються з дуже тонких шарів — фактично двовимірних структур. Саме такі матеріали сьогодні активно вивчають через їхній потенціал у майбутній електроніці, телекомунікаціях і квантових технологіях. Найвідомішим прикладом є графен — надтонкий шар вуглецю, у якому електрони поводяться як хвилі без маси і можуть рухатися надзвичайно швидко.
У новому дослідженні, опублікованому в журналі Physical Review X, інженери показали, що схожі математичні правила можуть працювати й для зовсім іншого явища — хвильових коливань у магнітних матеріалах. Ці коливання виникають через взаємодію мікроскопічних магнітних моментів атомів, які фізики називають «спінами».
Ідея дослідження з’явилася під час роботи з так званими метаматеріалами — штучно створеними структурами, властивості яких залежать не лише від складу, а й від внутрішньої геометрії. Один із авторів роботи, аспірант Боббі Каман, припустив, що якщо магнітний матеріал зробити структурно схожим на графен, то він може почати поводитися подібно до нього.
Щоб перевірити цю гіпотезу, вчені створили модель тонкої магнітної плівки з мікроскопічними отворами, розташованими у шестикутному візерунку — так само, як атоми в графені. Коли дослідники проаналізували хвилі збурень, що поширюються через такий матеріал, вони виявили дивовижну річ: ці хвилі підкоряються тим самим математичним рівнянням, що й електрони в графені.
За словами авторів, подібна аналогія виявилася набагато глибшою, ніж вони очікували. У системі вдалося знайти цілий набір різних енергетичних режимів — дев’ять окремих енергетичних «смуг». Деякі з них відповідають хвилям, що поводяться майже так само, як електрони в графені, тоді як інші створюють локалізовані або топологічні ефекти.
Таке відкриття не лише допомагає краще зрозуміти фундаментальні закони фізики, а й може мати практичне значення. Зокрема, воно відкриває можливість створення нових типів мікрохвильових пристроїв для бездротового зв’язку.
Одним із прикладів може стати так званий мікрохвильовий циркулятор — компонент, який пропускає радіосигнали лише в одному напрямку. Сьогодні подібні пристрої зазвичай доволі великі, але нові магнітні структури можуть дозволити зменшити їх до мікроскопічних розмірів.
У перспективі це може допомогти створювати компактніші елементи для систем зв’язку, радарів і мобільних мереж. А сам факт того, що різні фізичні явища можуть підкорятися однаковим законам, ще раз показує, наскільки глибоко взаємопов’язані процеси у світі матеріалів.
