Физики чуть ближе подобрались к разгадке странного поведения диоксида рутения: в одних экспериментах он ведёт себя как магнит, в других — будто магнетизма у него и не было. Новая работа намекает, что дело может быть не столько в самом материале, сколько в том, как его сверхтонкая плёнка садится на подложку и как именно её при этом тянет. Для спинтроники это полезная зацепка: там нужны материалы, которыми можно управлять точно, без лишнего внешнего поля.
Команда вырастила ультратонкие плёнки RuO2 толщиной около 2 нм на подложке из диоксида титана. Из-за несовпадения кристаллических решёток плёнка слегка растянулась, и этого хватило, чтобы сдвинуть взаимное положение атомов и поведение электронов внутри материала. Чтобы посмотреть, что происходит в структуре, учёные использовали spin-ARPES — метод, который одновременно показывает энергию, направление движения и спин электронов.
И вот тут появился необычный рисунок спинов, похожий на след магнитного порядка. Потом это перепроверили с разных сторон и пришли к выводу, что перед ними не случайный сбой измерения и не просто особенность геометрии кристалла. Самое вероятное объяснение — магнитное состояние, которое возникает именно из-за механического растяжения сверхтонкой плёнки.
Диоксид рутения давно считается неудобным материалом для классификации. Одни группы видели в нём признаки магнетизма, другие ничего похожего не находили, и спор тянулся годами. Физиков это особенно раздражало ещё и потому, что сам RuO2 хорошо известен в прикладной химии: его используют как катализатор, а рутениевые соединения в электронике ценят за стабильность и неплохую проводимость.
Новая работа предлагает довольно прямой механизм, который связывает эти противоречия. Если плёнка достаточно тонкая, подложка буквально подталкивает её атомы в другое положение, а вместе с ними меняется и электронная структура. В толстых образцах и объёмных кристаллах такого напряжения нет, поэтому эффект может просто пропадать или становиться слишком слабым, чтобы его уверенно увидеть.
Это важно не только для RuO2, но и для всей области альтермагнетиков. О таком классе материалов активно заговорили лишь в последние годы, хотя теоретически он занимает место между привычными ферромагнетиками и антиферромагнетиками. Альтермагнетики почти не дают внешнего магнитного поля, но сохраняют упорядоченность спинов — а значит, могут пригодиться там, где обычные магниты слишком мешают плотной и быстрой электронике.
Интерес к таким материалам подогревают память и спинтроника. В коммерческих устройствах уже используют магниторезистивную память, а в лабораториях ищут вещества, которые позволят снизить энергопотребление и ускорить переключение. На этом фоне материал, у которого магнетизм можно включать деформацией, выглядит особенно полезным: управлять им, по крайней мере в теории, проще, чем строить вокруг устройства сложные магнитные схемы.
Пока у работы есть два ограничения. Во-первых, наблюдаемое состояние ещё нужно чётко отделить от слабого ферромагнетизма, а для этого понадобятся дополнительные эксперименты. Во-вторых, все измерения проводились при 15 кельвинах, то есть примерно при минус 258 градусах Цельсия. Если эффект не удастся поднять хотя бы к комнатной температуре, до реальных устройств путь останется длинным, даже если само физическое объяснение окажется верным.