Визуализация альтермагнитных доменов в ортоферрите DyFeO3 с помощью индуцированной электрическим полем нерецепрокной направленной дихроизмии

Видеть скрытые магнитные узоры

Внутри многих перспективных материалов крошечные магнитные «стрелки» атомов выстраиваются в узоры, невидимые для обычных магнитов и большинства микроскопов. В этой статье показан новый способ «увидеть» такие скрытые узоры в кристалле, называемом ортоферритом диспроция (DyFeO₃), с помощью света и приложенного электрического поля вместо обычного магнита. Техника открывает окно в целое семейство так называемых альтермагнитов, которые могут лечь в основу более быстрых и эффективных технологий для электроники и хранения данных.

Кристалл с двумя переплетёнными магнитными сетками

DyFeO₃ принадлежит к хорошо изученной семье кристаллов, где два разных типа магнитных атомов — железо и редкоземельный элемент — занимают одну решётку. Их магнитные моменты формируют две переплетённые подсетки, которые в целом направлены в противоположные стороны, поэтому материал имеет почти нулевую суммарную намагниченность, хотя симметрия обращения времени нарушена. Такая особая конфигурация, называемая альтермагнетизмом, может порождать необычные эффекты, такие как спин‑зависимые токи и оптические отклики, не проявляя себя как обычный брусок‑магнит. В DyFeO₃ по мере охлаждения спины железа при примерно 50 кельвинах резко реорганизуются в фазу (обозначаемую Γ₁), в которой слабый феромагнитный компонент полностью исчезает, что делает магнитные характеристики особенно трудными для обнаружения.

Почему обычные магнитные микроскопы не справляются

Поскольку фаза Γ₁ не обладает спонтанной намагниченностью, популярные методы, такие как эффекты Фарадея или Керра — которые полагаются на то, что свет поворачивается при прохождении через намагниченный слой — практически ничего не показывают. Ранее попытки визуализировать внутренние домены в этой фазе приходилось основывать на более косвенных эффектах, например на различной преломляющей способности кристалла в разных направлениях или на том, как напряжение может индуцировать крошечный магнитный ответ. Эти подходы работают лишь в ограниченных условиях и могут нарушать сами домены, которые пытаются исследовать. Поэтому исследователям нужна была методика, способная отличать области с противоположными микроскопическими спиновыми узорами, не нарушая кристалл и не требуя встроенной намагниченности.

Дать свету почувствовать электрический толчок

Авторы используют явление, называемое индуцированной электрическим полем нерецепрокной направленной дихроизмией. Проще говоря, они пропускают свет прямо через тонкую пластинку DyFeO₃, одновременно подавая напряжение через её толщину. В альтермагнитной фазе Γ₁ симметрия кристалла позволяет электрическому полю создавать тонкую «тороидальную» магнитную структуру — подобие маленьких контуров тока — которая влияет на то, как сильно материал поглощает свет в зависимости от того, движется ли свет вдоль или против этого тороидального направления. Два соседних домена, чьи внутренние спиновые узоры являются противоположными зеркальными двойниками, при подаче того же электрического поля демонстрируют изменения поглощения противоположного знака. Модулируя напряжение и регистрируя крошечные изменения в интенсивности прошедшего света с помощью чувствительной камеры, команда преобразует эти различия в двумерные цветные карты, обнаруживая лабиринт доменов размером в сотни микрометров во всех трёх основных кристаллографических направлениях.

Наблюдение за реакцией доменов на магнитный толчок

Хотя фаза Γ₁ не демонстрирует суммарной намагниченности, исследователи также изучают, как эти домены реагируют, когда кристалл охлаждают через переход в присутствии слабого магнитного поля. Удивительно, что при смене направления поля вдоль некоторых осей кристалла инвертируется контраст доменов — области, которые ранее выглядели как увеличенное поглощение, теперь выглядят уменьшенным, и наоборот — при этом общие формы доменов остаются почти такими же. Такое поведение указывает на тонкую трёхстороннюю связь между намагниченностью, внутренними остаточными деформациями кристалла и антиферромагнитным порядком, известную как пьезомагнитное взаимодействие. Хотя результирующая намагниченность крайне мала, вблизи температуры перехода она достаточна, чтобы смещать предпочтение в пользу того или иного двойного домена в локально деформированных областях.

Открывая путь к практическому управлению

Говоря простыми словами, исследование демонстрирует своего рода неинвазивную «магнитную фотографию» для класса материалов, чья магнитность обычно скрыта. Используя электрическое поле и тщательно подобранный свет, авторы могут картировать, где один скрытый спиновый узор доминирует над своим двойником, и отслеживать, как эти области реагируют на мягкие магнитные поля и внутренние деформации. Поскольку похожие альтермагнитные фазы встречаются и в других оксидах — и могут появляться даже близко к комнатной температуре при изменении состава — этот метод предлагает широко применимый способ изучать и в конечном счёте управлять этими скрытыми магнитными узорами, что является важным шагом к использованию альтермагнитов в будущей спиновой электронике и устройствах памяти.

Цитирование: Kobayashi, K., Hayashida, T. & Kimura, T. Imaging of altermagnetic domains in orthoferrite DyFeO₃ using electric field-induced nonreciprocal directional dichroism. npj Quantum Mater. 11, 38 (2026). https://doi.org/10.1038/s41535-026-00861-z

Ключевые слова: альтермагнетизм, магнитные домены, оптическая визуализация, пьезомагнетизм, DyFeO3