Диоксид рутения (RuO₂) на протяжении многих лет оставался загадкой для физиков. В зависимости от эксперимента металлический оксид либо проявлял магнитные свойства, либо нет. Эта неопределенность не позволяла определить, относится ли RuO₂ к новому классу материалов — альтермагнетикам, которые в будущем могли бы использоваться для создания более быстрой и энергоэффективной электроники.
В новом исследовании ученые показали, что недостающее звено может заключаться не в самом материале, а в том, насколько сильно растянута его кристаллическая решетка. Вырастив ультратонкую пленку RuO₂ толщиной всего два нанометра и сохранив деформацию кристаллической решетки, исследователи обнаружили явные признаки магнитного порядка, которые оставались скрытыми в более толстых образцах. Это позволяет предположить, что магнетизм в RuO₂ не является фиксированным свойством, а может включаться за счет инженерии атомной структуры материала.
Диоксид рутения широко используется как промышленный катализатор и ценится за отличную электропроводность. Однако в последние годы он стал предметом интенсивных дискуссий, поскольку одни эксперименты указывали на возможную альтермагнитную природу материала, а другие не находили признаков магнетизма в объемных кристаллах или релаксированных тонких пленках. Недавнее исследование показало отсутствие альтермагнитного поведения в пленках вплоть до толщины 5 нанометров. Однако никто не исследовал полностью деформированные пленки тоньше 4 нанометров с использованием методов, позволяющих одновременно измерять движение и спин электронов.
Чтобы восполнить этот пробел, ученые вырастили атомарно гладкие пленки RuO₂ толщиной 2 нанометра на подложках из диоксида титана. Поскольку расстояние между атомами в подложке немного отличается от такового в RuO₂, ультратонкая пленка вынуждена растягиваться, чтобы соответствовать ему. Это состояние известно как эпитаксиальная деформация.
Исследователи применили спиновую фотоэлектронную спектроскопию с угловым разрешением (spin-ARPES), которая позволяет измерять энергию, импульс и спин каждого электрона. Для подтверждения достоверности результатов измерения повторялись в двух различных геометриях эксперимента. Дополнительные рентгеновские и оптические эксперименты подтвердили, что пленки сохранили деформацию, и выявили их кристаллическую симметрию.
Измерения обнаружили необычную спиновую текстуру — направление спина электрона систематически менялось в зависимости от его движения через кристалл. Детальный симметрийный анализ исключил немагнитные объяснения. Наблюдаемое поведение соответствовало либо слабому ферромагнетизму, либо альтермагнетизму. Как отмечают авторы исследования, «эти результаты указывают на возникновение нерелятивистской спиновой структуры, обусловленной эпитаксиальной деформацией в ультратонком пределе, что является явным отличием от поведения релаксированного или объемного RuO₂».
Открытие предполагает, что деформация может стать практическим способом включения магнитных свойств в материалах, которые в обычном состоянии их не проявляют, открывая новые возможности для энергоэффективных спинтронных устройств. Однако эксперименты проводились при температуре около 15 кельвинов (минус 258°C), поэтому пока неизвестно, сохраняется ли такое поведение при комнатной температуре.