チューリッヒ工科大学の科学者たちは、新しいタイプの磁気を発見しました。実験では、人工的に作成された材料がこれまでに見たことのないメカニズムによって磁性を帯びるようになることが示されています。物質内のすべての電子のスピンが同じ方向を向いている場合、それは強磁性と呼ばれます。しかし、電子のスピンがランダムな方向を向いたときに発生する、より弱い磁気の形態である常磁性など、他の形態の磁気も存在します。
この新しい研究で、ETHの科学者たちは、独特の新しい形の磁気を発見しました。研究者らは、二セレン化モリブデンと二硫化タングステンの二次元シートを積み重ねて作られた実験材料であるモル材料の磁気特性を研究しています。これらの材料は電子を含むことができる格子構造を持っています。
これらのモル材料がどのような磁性を持っているかを調べるために、研究チームはまず、電流を流して電圧を着実に増加させることによって材料に電子を「注入」しました。次に、材料の磁性を測定するために、材料にレーザーを照射し、さまざまな偏光で光がどのくらい強く反射されるかを測定し、電子スピンが同じ方向を向いているか（強磁性を示す）、またはランダムな方向を向いているか（常磁性を示す）を明らかにしました。
この材料は当初常磁性のように見えましたが、研究チームが格子にさらに電子を追加すると、突然予期せぬ変化が起こり、強磁性になりました。興味深いことに、この転移は、格子が格子サイトごとに 1 つの電子だけで満たされているときに正確に発生し、強磁性を駆動する通常のメカニズムである交換相互作用が排除されます。
「これは、交換相互作用では説明できない新しいタイプの磁気の顕著な証拠です」と、この研究の筆頭著者であるアタチ・イマモール氏は述べた。
研究チームは別のメカニズムを提案した。複数の電子が格子サイトに入ると、それらは対になって「双子」と呼ばれる粒子になり、最終的には量子トンネル効果によって格子全体を満たすというものだ。ただし、これを行うと、電子はスピンを揃えることによって運動エネルギーを最小限に抑え、強磁性を生み出します。この「運動磁気」は数十年前から理論的に予測されていましたが、これまで固体材料では観察されていませんでした。
研究者らは、より高い温度でこの現象が達成できるかどうかを含め、この現象についてさらに詳細な研究を行う予定だ。結局のところ、この実験では、材料を絶対零度以上の温度まで冷却する必要がありました。
研究はNature誌に掲載された。