Фізики виявили, що в скрученому під малими кутами трііодиді хрому можуть одночасно існувати як ферромагнітні, так і антиферромагнітні домени. Більш того, в разі подвійного тришару ці домени демонструють злегка спотворений муаровий порядок, який пророкує теорія. Дослідження опубліковано в.
Властивості кристалів багато в чому пояснюються тим, як саме розташовані атоми в решітці. Змінюючи їх структуру, фізики навчилися управляти ними в широкому діапазоні, доходячи часом до створення нових станів речовини. Як приклад можна навести муарові надрешітки, які можна отримати, укладаючи один на одного два кристалічні шари з різними періодами, або під кутом один до одного. Такий підхід дозволив виявити ряд кореляційних і топологічних явищ в графені і діхалькогенідах перехідних металів.
Якщо електричні властивості муарових надрешіток показали велику гнучкість, то при управлінні і дослідженні їх магнітних властивостей виник ряд труднощів. По-перше, матеріали, які демонструють магнетизм в моношаровому вигляді, в більшості випадків вимагають вакууму або інертної атмосфери. По-друге, енергетичний баланс обмежує можливі магнітні надрешітки тільки великими доменами, що еквівалентно режиму малого кута між шарами. Це, в свою чергу, може призводити до перебудови решіток окремих шарів і, як наслідок, до розупорядкування надрешітки. Нарешті, для дослідження магнітних структур в таких середовищах необхідний скануючий зонд з високою просторовою роздільною здатністю, достатньою магнітною чутливістю і низькою зворотною дією зонда на зразок.
Тяньчен Сун (Tiancheng Song) з Вашингтонського університету з колегами з Німеччини, США і Японії змогли подолати зазначені труднощі і побачити магнітний муаровий порядок у скрученому трііодиді хрому. Вибираючи дуже малі кути скручування (десяті частки градуса), фізики домагалися одночасного існування в зразку як ферромагнітних, так і антиферромагнітних доменів. Це виявилося можливим завдяки виникненню муарового візерунка з моноклінних і ромбоедричних укладок біслою, ходячи одиночний шар трііодиду хрому демонструє тільки антиферромагнетизм.
Як зонд автори використовували невеликий шматочок алмазу з азотно-заміщеною вакансією (NV-центром). Потрапляючи в магнітне поле цей дефект відчуває зеемановское розщеплення рівнів, яке легко вважається методом магнітного резонансу. У комбінації зі скануючою зондовою технікою це дозволяє отримати просторову роздільну здатність в 50 нанометрів. Цього виявляється достатньо, щоб дозволити магнітно-доменну структуру скрученого під малими кутами трііодиду хрому, що володіє періодом близько 80 нанометрів.
Фізики почали з дослідження біслоя, нудного під кутом 0,2 градуса. Побудовані карти магнітного поля і відповідної йому намаганості підтвердили наявність у зразку магнітних доменів обох типів, стійких до зміни магнітного поля. Однак, всупереч теоретичним передбаченням, домени розташовувалися в хаотичному порядку. Автори пояснили це низкою причин, головною з яких була м'якість і крихкість трііодиду хрому порівняно з графеном і дихалькогенідами перехідних металів.
Щоб підвищити жорсткість зразка, фізики спробували повторити експеримент з великим числом шарів. Укладаючи один на одного два звичайних біслої під малими кутами, вони отримували тільки антиферромагнітний порядок. При укладанні двох тришарів по куту 0,3 градуса автори не тільки змогли отримати обидва типи доменів, але і виявити в середині зразка невеликий регіон діаметром близько мікрометра, в якому вгадувався порядок, хоч і сильно спотворений. Дослідники переконалися в цьому, побудувавши автокореляційну функцію, а також змоделювавши карту намагніченості для ідеальної надрешітки. Результати показали якісну згоду один з одним.
Фізики сподіваються, що застосування спін-поляризованої тунельної мікроскопії і тунельної спектроскопії дозволить у майбутньому поліпшити роздільну здатність до 20 нанометрів. Це дасть можливість краще вивчити доменні кордони і, можливо, допоможе підтвердити існування передбачених раніше екзотичних магнітних ефектів, таких як муарові скірміони, неколінеарні магнітні стани і одномірні магнонні канали.
NV-центри - це дивовижні квантові об'єкти, які фізики використовують для найрізноманітніших потреб. Раніше ми розповідали, як їх перетворили на гіроскоп, радіоприймач і квантовий тепловий двигун.