Доктор. Мэнке Лю, доцент кафедры физики Техасского университета в Далласе, управляет двумерным передаточным механизмом внутри перчаточного бокса для изготовления атомарно тонких квантовых устройств. Она и ее коллеги обнаружили необычную атомную структуру в материале на основе урана, которая придает ему редкое сочетание магнитных свойств. Это открытие может открыть новые возможности для разработки передовых электронных и компьютерных устройств памяти. Фото: Техасский университет в Далласе

Материал, на который долгое время не обращали внимания, позволил обнаружить скрытую атомную структуру, которая противоречит общепринятым представлениям о магнетизме.

Соединение урана, которому на протяжении десятилетий уделялось мало внимания со стороны научного сообщества, оказалось носителем ранее неизвестной атомной структуры с необычными магнитными свойствами. Это открытие может помочь исследователям найти материалы, которые позволят создать более быструю и надежную компьютерную память.

Ученые обнаружили повторяющуюся спиралевидную структуру атомов, известную как хиральная сверхрешетка, внутри оксителлурида урана (UOTe). Эта структура, по-видимому, играет ключевую роль в движении электронов внутри кристалла, который демонстрирует необычное сочетание двух различных типов магнетизма. Результаты исследования были опубликованы 7 октября в онлайн-версии журнала Nature.

Скрытый атомный узор, обнаруженный с помощью микроскопии

Доктор Мэнке Лю, доцент кафедры физики Техасского университета в Далласе, обнаружила эту структуру, изучая кристаллы, синтезированные доктором Шэн Ран, доцентом кафедры физики Вашингтонского университета в Сент-Луисе. Лю начала изучать этот материал, когда работала научным сотрудником в Гарвардской квантовой инициативе, а в 2025 году перешла в Техасский университет в Далласе. С помощью просвечивающей электронной микроскопии и сканирующей туннельной микроскопии она исследовала кристалл с атомным разрешением.

«Изначально я изучала этот материал совсем по другой причине», — сказала Лю. «Когда я изучил его с помощью микроскопа высокого разрешения, я обнаружил естественную надстройку, которую никто раньше не замечал».

Недавно обнаруженная сверхрешетка состоит из более крупной повторяющейся атомной структуры с преимущественно левосторонним или правосторонним поворотом — свойством, известным как хиральность. Исследователи обнаружили, что такая организация влияет на поведение электронов и связана с необычными магнитными характеристиками материала.

Две формы магнетизма в одном материале

Кристалл демонстрирует свойства как ферромагнетизма, так и антиферромагнетизма. В ферромагнитных материалах атомные магнитные моменты выстраиваются в определенном порядке, создавая общую намагниченность. В антиферромагнитных материалах соседние магнитные моменты направлены в противоположные стороны и обычно компенсируют друг друга, так что материал не обладает суммарной намагниченностью.

«Найти материал, сочетающий в себе оба этих свойства, — фундаментально интересная задача», — говорит Лю.

Исследовательская группа из Гарвардского университета под руководством доктора Суяна Сюй, доцента кафедры естественных наук имени Джона Л. Леба и соавтора исследования, независимо изучала то же соединение. Команды сравнили результаты дополнительных экспериментов и провели дополнительные измерения, подтвердив, что необычная атомная сверхструктура является важным фактором, влияющим на движение электронов в материале.

Потенциал для более быстрой и надежной памяти

Антиферромагнитные материалы обладают потенциальными преимуществами для компьютерной памяти, поскольку они, как правило, менее чувствительны к внешним магнитным полям и могут работать быстрее, чем обычные ферромагнетики. Материал, сочетающий в себе свойства обоих типов, может открыть новые возможности для технологий магнитной памяти, хотя практические устройства на основе этого открытия еще не созданы.

«Если удастся использовать эти преимущества, устройства памяти потенциально могут стать быстрее и надежнее», — говорит Лю.

Компьютерный анализ также показывает, что сотни родственных соединений могут содержать сопоставимые структуры сверхрешеток. Это расширяет спектр материалов, которые исследователи могут изучать на предмет схожего электронного и магнитного поведения.

«Это исследование открывает новый способ поиска материалов с такими необычными свойствами, — говорит Лю. — Вместо того чтобы сосредотачиваться только на фундаментальном расположении атомов, мы можем изучать более крупные сверхструктуры, которые могут влиять на поведение электронов».

Материал, известный с 1960-х годов, открывает новые возможности

Оксителлурид урана был впервые известен ученым за несколько десятилетий до открытия его необычной сверхрешетки. Современные методы микроскопии позволили изучить структурные особенности, которые не удавалось рассмотреть ранее.

«Оксителлурид урана известен с 1960-х годов, но с тех пор его практически не изучали. Теперь, благодаря современным технологиям, мы можем обнаруживать и изучать свойства, которые раньше были скрыты», — сказал Лю.