Орбитальный эффект Нернста магнонов в алтермагнетах

Тепло, скрытая магнитность и новый способ передачи информации

В повседневной электронике работу выполняет поток электрического заряда. Но во многих современных материалах заряд — лишь часть картины: волны магнетизма тоже могут нести энергию и информацию. В этой работе рассматривается особенно тонкий вид магнитных волн в кристаллах, называемых алтермагнетами, и показано, как простая разница температур заставляет эти волны переносить крошечные закрученные движения весьма устойчивым образом. Этот эффект может лечь в основу устройств с малыми потерями, которые используют тепло вместо электричества для управления будущими информационными технологиями.

От спинтроники к «орбитронике» без электрического заряда

Долгие годы исследователи пытались использовать спин электрона — крошечную магнитную стрелку, присущую каждой частице — чтобы создавать спинтронные устройства, которые работают быстрее и выделяют меньше тепла, чем обычная электроника. Более новая идея, «орбитроника», нацелена вместо этого на орбитальное движение электронов, которое может течь через материал подобно потокам заряда или спина. В этой работе задают вопрос: может ли похожее орбитальное поведение возникнуть у магнонов — квантовых пакетов спиновых волн, распространяющихся в магнитных материалах? Магноны не несут электрического заряда и не имеют массы, но они могут вращаться в процессе движения, приобретая орбитальный характер, который, по сути, можно перемещать с помощью тепла или полей.

Алтермагнеты: необычные антиферромагнетики со скрытым расщеплением

Алтермагнеты — недавно идентифицированный класс магнитов, которые выглядят обманчиво обычными. Как и в традиционных антиферромагнетиках, соседние атомные моменты ориентированы в противоположные стороны, поэтому материал не имеет суммарной намагниченности. Тем не менее из‑за того, как устроены атомы в кристалле, частицы с противоположным спином испытывают немного разные условия при движении. Это создаёт характерный узор энергетического расщепления в их зонах, даже без привычных релятивистских эффектов, которые обычно порождают такое поведение. Авторы сосредотачиваются на двух прототипах: RuO₂, где так называемый d‑волновой паттерн в основном ограничен плоскостью, и CrSb, демонстрирующем трёхмерный g‑волновой рисунок. Используя расчёты электронной структуры от «первых принципов» в сочетании со стандартной моделью магнитных взаимодействий, они вычисляют, как движутся магноны и как у них расщепляются энергии в этих кристаллах.

Закручивающиеся магноны и поперечный тепловой поток

Магноны — это не просто простые волны; они могут формировать локализованные волновые пакеты, которые одновременно дрейфуют и внутренне вращаются. Это самовращение характеризуется «орбитальным моментом магнона», мерой того, насколько каждый пакет вращается вокруг собственного центра. Правила симметрии подразумевают, что в идеально спокойных условиях равновесия это закручивание усредняется до нуля по всему кристаллу и в RuO₂, и в CrSb. Однако при наложении температурного градиента — горячая сторона и холодная сторона — те же симметрии частично нарушаются. Авторы показывают, что при этом возникает чистый поток орбитального момента под прямым углом к тепловому потоку: орбитальный эффект Нернста для магнонов, аналог термоэлектрического эффекта, но связанный не с электрическим зарядом или спином, а с орбитальным движением.

Почему алтермагнеты особые и устойчивые

Варьируя силу и направленность магнитных связей в своей теоретической модели, исследователи демонстрируют, что этот орбитальный эффект Нернста существует только при наличии характерного алтермагнитного расщепления магнонных зон. В обычном антиферромагнетике без такого расщепления эффект исчезает ровно. Они также обнаруживают, что возникающие орбитальные токи гораздо меньше зависят от подробной ориентации магнитного порядка, от угла приложенного температурного градиента или от наличия множества магнитных доменов, чем сопоставимые эффекты, основанные на спине. Иными словами, даже если образец поликристаллический и магнитно неупорядочен на микроскопическом уровне, орбитальный сигнал в значительной степени выживет, а не компенсируется.

Возможный путь к орбитальной электронике, управляемой теплом

Авторы приходят к выводу, что орбитальный перенос магнонов в алтермагнетах предлагает новый, прочный канал для передачи информации с использованием тепла вместо электрического заряда. Поскольку эффект возникает без необходимости сильных релятивистских взаимодействий, он может проявляться в широком классе материалов. Исследователи предполагают, что эти орбитальные токи можно обнаружить косвенно через их способность индуцировать электрическую поляризацию или напряжения, особенно в многослойных структурах, где алтермагнет сочетается с тяжёлым металлом, усиливающим определённые магнитные взаимодействия. В случае экспериментальной реализации такие тепловые орбитальные токи могли бы стать практическим инструментом как для обнаружения скрытой алтермагнитности, так и для проектирования устройств орбитроники и спинтроники с низкими потерями.

Цитирование: Weißenhofer, M., Mrudul, M.S., Mankovsky, S. et al. Magnon orbital Nernst effect in altermagnets. npj Quantum Mater. 11, 25 (2026). https://doi.org/10.1038/s41535-026-00853-z

Ключевые слова: алтермагнеты, магноны, орбитроника, эффект Нернста, волны спина