Эффект Эйнштейна-де-Гааза в двумерных магнетиках или что общего у квадрокоптера и антиферромагнетика

В журнале Q2 Europhysics Letters вышла статья студента магистратуры кафедры физики колебаний Максима Колюшенкова и его научного руководителя проф. А.П. Пятакова «Об эффекте Эйнштейна-де-Гааза в ван-дер-ваальсовой микроэлектромеханической системе».

Графеноподобные магнитные материалы толщиной в несколько молекулярных слоев (ван-дер-ваальсовы магнетики) были обнаружены в 2016 году и немедленно стали объектом пристального внимания ученых — они заставили пересмотреть многие привычные представления о магнитных явлениях.

Столетием ранее в опыте Эйнштейна-де-Гааза, в котором изменение намагниченности образца приводило к его механическому вращению, была установлена взаимосвязь магнитного и механического моментов. В качестве образца использовался массивный магнитный стержень, еле уловимый поворот магнита наблюдался при резонансе крутильного маятника, а детектировался с помощью самого чувствительного метода на начало 20 века — весов Кулона (по отклонению светового зайчика от зеркала, прикрепленного на оси вращения маятника).

Для обнаружения аналогичного эффекта в ван-дер-ваальсовом материале авторы статьи предложили воспользоваться аналогом весов Кулона XXI века —оптической системой детектирования колебаний кантилевера в атомном силовом микроскопе, а сам кантилевер сделать из зажатого между графеновыми электродами ван-дер-ваальсова антиферромагнетика, в котором магнитный момент одного слоя компенсируется соседним слоем (рис.1). Прикладывая переменное электрическое напряжение к графеновым электродам, можно вызывать за счет магнитоэлектрического эффекта периодическое изменение магнитного момента, а вследствие магнитомеханической связи — также и вибрацию кантилевера.

Как признается один из авторов статьи проф. А.П. Пятаков, идея работы пришла ему при проведении занятия по механике вращательного движения для студентов младших курсов: «проследим, например, за движением квадрокоптера, оно ведь полностью определяется скоростью вращения винтов: если аппарат висит неподвижно, моменты импульсов двух диагональных винтов полностью компенсируются другой диагональю. Если же хотите повернуть аппарат по часовой стрелке, то для этого нужно увеличить скорость вращения винтов, крутящихся против часовой стрелки: вследствие закона сохранения момента импульса корпус квадрокоптера повернется в противоположную сторону (рис.2). Также и в антиферромагнетике, если вызвать декомпенсацию магнитных моментов подрешеток с помощью электрического поля, то, вследствие закона сохранения момента импульса, такая декомпенсация приведет к вращению кристалла как целого. В этом и заключается идея электроиндуцированного эффекта Эйнштейна-де-Гааза».

Говорить о практическом применении электроиндуцированного эффекта Эйнштейна-де-Гааза в ван-дер-ваальсовых антиферромагнетиках пока рано, поскольку оценки его величины для немногих известных пока ван-дер-ваальсовых магнитов дают скромные значения. Однако если вместо линейного магнитоэлектрического эффекта использовать резкий переход антиферромагнетик-ферромагнетик, то эффект увеличится тысячекратно, и его можно будет использовать в MEMS — микроэлектромеханических устройствах, которые уже находятся в каждом смартфоне и планшете.