Фізики виявили ферромагнітний порядок, скручуючи відносно один одного антиферромагнітні біслої тріїодиду хрому. Це виявилося несподіваним, оскільки просте складання антиферромагнітних частин зазвичай не призводить до появи намагніченості. Вони пояснили ефект виникненням спинових фрустрацій в муаровій надрешітці, які руйнують звичайний порядок в біслоях. Дослідження опубліковано в.
Якщо розташувати два атомні кристалічні шари один поверх іншого під деяким кутом, то одержуваний неспівпадіння структур сформує з них муарову надрешітку. Таким чином можна в широкому діапазоні варіювати електронні, магнітні та оптичні властивості гетероструктури, змінюючи лише кут повороту. Найбільшого прогресу вдалося досягти, модулюючи зарядову щільність станів у кристалі, що дозволило побачити нові явища, як для електронів, так і для ексітонів.
Можливості управління магнітними ж властивостями поки досліджені переважно теоретиками. Вони показали, що в муарових надрешітках можна буде побачити неколінеарний і топологічний магнетизм, а також збуджувати магнони з новими властивостями. Причина в такому відставанні полягає в малій кількості матеріалів, здатних демонструвати відповідну магнітну поведінку в одношаровій кристалічній фазі. Одними з таких матеріалів виявилися тригалогеніди хрому, що демонструють залежно від модифікації, як ферромагнетизм, так і антиферромагнетизм. Сьогодні вчені активно досліджують те, які незвичайні властивості можна отримати, створюючи муарові надрешітки в скручених гетероструктурах на їх основі.
Однією з робіт у цьому напрямку стало дослідження, проведене американськими і китайськими фізиками за участю Люянь Чжао (Liuyan Zhao) з Мічиганського університету. Вони використовували як джерело інформації про намагніченість раманівський сигнал і з'ясували, що при деякому вугіллі скручування в подвійному бісле трііодиду хрому поведінка спинів не може бути описана простою суперпозицією властивостей нескручених структур.
Раманівський спектр можна зафіксувати при збудженні зразка когерентним лазерним променем. Перевипромінене світло може включати компоненти, які відповідають релаксації через коливальні ступені свободи, наприклад, фонони. При наявності магнітного поля частина світла буде випромінюватися з перпендикулярною поляризацією. Аналізуючи ці компоненти, можна проводити магнітометрію зразка.
Фізики використовували цю техніку, щоб з'ясувати, як змінюються магнітні властивості скручених гетероструктур на основі тріодиду хрому залежно від кута. Вони виготовляли окремі біслої, після чого накладали їх один на одного, змінюючи кут скрученості в діапазоні від нуля до п'яти градусів. Неспівпадання кристалічних решіток призводить до розбиття зразка на домени, в яких ділянки поверхні бислоїв відчувають сильний зв'язок, розділені кордонами, в яких цей зв'язок відсутній.
Виявилося, що для дослідженого діапазону кутів раманівські спектри можуть бути з високою точністю описані як лінійна комбінація спектрів чистих двошарових і чотиришарових кристалів. Ці результати узгоджуються з уявленням про те, що сумарний магнетизм скрученого зразка описується як сума вкладів окремих доменів і кордонів. У першому випадку сильний зв'язок робить кристал чотиришаровим, а в другому - двічі двошаровим.
Після цього фізики досліджували те, як спектральні компоненти змінюються при накладанні різних магнітних полів. За відсутності магнітного поля звичайний біслий тріодіда хрому являє собою антиферромагнетик, в якому намагниченості обох шарів протиправлені. При певному значенні поля біслій переходить у ферромагнітний стан за рахунок перевороту старанності одного з шарів. Схожим чином себе веде і чотиришаровий кристал, відчуваючи два таких переходи. Автори переконалися в цьому, спостерігаючи за змінами характерних раманівських піків.
Коли вчені почали вивчати скручені подвійні біслої, вони виявили що для дуже маленьких (кілька часток градуса) і порівняно великих (кілька градусів) кутів залежності компонент від кута теж можуть бути описані як суперпозиція залежностей для двох граничних випадків. Пропорції цією суперпозицією виявилися в хорошій згоді з геометричними частками доменів і меж, які автори вирахували за зображеннями з просвічуючого електронного мікроскопа.
Однак для кута, рівного 1,1 градуса, залежність виявилася несподівано складною, що містить різкі піки і провали, які неможливо описати простою лінійною комбінацією. Опромінюючи такий зразок світлом з різною круговою поляризацією, фізики виявили магнітний дихроїзм, який демонстрував гістерезу, властиву ферромагнетикам. Автори пояснили наявність такої нескомпенсованої намагніченості спиновими фрустраціями, викликаними муаровими надгратами, які дестабілізують антиферромагнітний порядок. Фізики зазначили, що на даний момент не існує теорії, яка могла б кількісно описати побачений ними ефект. Вони також вважають, що його всебічне вивчення за допомогою інших фізичних методів допоможе отримати більше інформації про його механізм.
Якщо виникнення ферромагнітної фази в трііодиді хрому з парним числом шарів несподівано, то для непарного їх числа - це цілком очікуваний ефект. Муаровий візерунок з ферромагнітних і антиферромагнітних доменів у подвійному трислі змогла нещодавно побачити інша група фізиків.