Mówiąc dokładniej, chodzi o nowy rodzaj ferromagnetyzmu występujący w sztucznie wytworzonym materiale. Jak zauważyli członkowie zespołu badawczego, o czym zresztą piszą na łamach Nature, wyrównanie momentów magnetycznych następuje w tym materiale w zupełnie inny sposób aniżeli w przypadku klasycznych magnesów.
Czytaj też: Zobaczymy pole magnetyczne Ziemi, jak nigdy wcześniej. Pomogą nam efekty kwantowe
Aby wytworzyć wspomniany materiał, naukowcy nałożyli na siebie cienkie warstwy dwóch różnych materiałów półprzewodnikowych. Był to dwuselenek molibdenu i dwusiarczek wolframu rozłożone w bardzo cienkich warstwach. Tam, gdzie dochodziło do styku, występował dwuwymiarowy potencjał periodyczny o stałej sieciowej nawet 30-krotnie większej niż ma to miejsce w przypadku dwóch półprzewodników.
Potencjał ten można wypełnić elektronami przykładając napięcie elektryczne. Stosując podobne podejście, naukowcy prowadzili w przeszłości badania poświęcone efektom kwantowym silnie oddziałujących elektronów. Właściwości magnetyczne pozostawały natomiast znacznie większą tajemnicą.
Nowy rodzaj magnetyzmu opisany przez naukowców powiązanych z ETH w Zurychu został zaobserwowany w zaprojektowanym przez nich materiale
Przełom nastąpił niedawno, w związku z pomiarami odnoszącymi się do wypełnienia elektronowego i potencjalnego paramagnetyzmu. W takich okolicznościach momenty magnetyczne miałyby być losowo zorientowane, co prowadziłoby do występowania ferromagnetyzmu. W toku eksperymentów ich autorzy skierowali wiązkę lasera na zaprojektowany materiał i dokonali pomiarów odbicia światła przy różnych polaryzacjach.
Należy zauważyć, że polaryzacja wskazuje, w którym kierunku oscyluje pole elektromagnetyczne światła laserowego. Orientacja momentów magnetycznych wpływa natomiast na to, czy materiał będzie odbijał jedną polaryzację silniej niż drugą. W oparciu o tę różnicę naukowcy mogą obliczyć, czy spiny są skierowane w tym samym kierunku, określając jednocześnie namagnesowanie.
Jak się okazało, dodawanie elektronów do sieci sprawiło, że w pewnym momencie badany materiał stał się ferromagnetyczny. Jako że zmiana nie pojawiła się od razu, to naukowcy zyskali pewność, że jakiś nieznany wcześniej efekt dał początek ferromagnetyzmowi. Z czasem badacze doszli do wniosku, iż mogli zaobserwować to, o czym pisał w 1966 roku fizyk Yosuke Nagaoka. Jak twierdził Japończyk, poprzez skierowanie swoich spinów w tym samym kierunku, elektrony minimalizują swoją energię kinetyczną, znacznie większą od energii wymiany.
Prowadzone kilkadziesiąt lat później eksperymenty wykazały, iż ferromagnetyzm w zaprojektowanym materiale występuje, gdy więcej niż jeden elektron przypada na miejsce w sieci. Sprawia to, że pary elektronów mogą łączyć się w tzw. dublony, a energia kinetyczna jest ograniczona, gdy owe dublony rozprzestrzeniają się po sieci za sprawą tunelowania kwantowo-mechanicznego. Co istotne, dzieje się tak wyłącznie wtedy, gdy pojedyncze elektrony w sieci wyrównują ferromagnetycznie swoje spiny.
