Новый тип магнита обещал память, работающую в 1000 раз быстрее. Насколько это близко к реальности?

Типы магнетизма

Есть два типа магнитов. Или мы так думали. Первый вам знаком: магнит на холодильнике липнет, а стрелка компаса указывает на север. Второй описали в 1930-х: к нему ничего не липнет.

Внутри его атомы намагничены, но снаружи он совсем не выглядит магнитом. В две тысячи двадцать четвёртом году эксперименты подтвердили: некоторые тихие материалы относятся к третьему типу. Физики называют его альтермагнетизмом: скрытым магнитным узором, меняющимся с направлением в кристалле. В июле 2026-го трое физиков, определивших его, получили премию Europhysics.

Некоторые видео уже обещают: он ускорит электронику в тысячу раз. Число «в тысячу раз» есть в университетском пресс-релизе, но это прогноз, не измерение. Что это за третий магнит, почему его так долго не называли и насколько он близок к применению?

Магнетизм создают электроны

Этот магнетизм главным образом создают электроны. Каждый электрон ведёт себя как крошечный магнит, связанный с квантовым свойством под названием «спин». В большинстве материалов эти крошечные магниты смотрят в разные стороны и взаимно компенсируются. В железе они одинаково выстраиваются у огромного числа атомов.

Эти атомы создают ощутимое поле, а такой материал называют ферромагнетиком. Ферромагнетики известны физикам уже несколько тысяч лет. Представьте спортивное поле, где все люди смотрят на север. С трибун вы увидели бы толпу, обращённую в одну сторону.

В ферромагнетике есть и другое: электроны со спином вверх и вниз получают разные энергии. Физики называют это спиновым расщеплением. Поэтому магниты считываются электрически: в слоистом устройстве смена ориентации двух магнитных слоёв меняет сопротивление. Запомните два свойства: внешнее поле и расщеплённые по спину энергии электронов.

Третий магнит сохраняет одно свойство, теряя другое.

Скрытый порядок Нееля

В диссертации 1932 года французский физик Луи Неель предложил иную картину. Соседние атомные магниты могут стремиться смотреть в противоположные стороны. В 1936-м он описал кристалл из двух переплетённых групп атомов: одна смотрит вверх, другая вниз. Группы компенсируются, и суммарная намагниченность равна нулю.

Это антиферромагнетизм. Представьте шахматную доску: чёрные и белые клетки чередуются, издали она серая. Нейтроны, сами несущие крошечные магниты, дали физикам прямой способ увидеть этот порядок. Эрнест Воллан начал нейтронные опыты на графитовом реакторе в Ок-Ридже в 1944-м, а Клиффорд Шалл присоединился в 1946-м.

В 1949-м Шалл и его коллега Смарт направили нейтроны на оксид марганца. Они нашли новые дифракционные пики магнитного узора, повторявшегося через вдвое большее расстояние по каждой оси кристалла. Скрытая шахматная доска оказалась реальной. Луи Неель разделил Нобелевскую премию по физике 1970 года за работы по антиферромагнетизму и ферримагнетизму.

Ферримагнетизм похож, но противоположные атомные магниты разного размера, поэтому намагниченность остаётся. Строго говоря, типов магнитов никогда не было всего два. Существуют и спирали, застывшие стеклообразные состояния с атомными магнитами, застрявшими в беспорядке, и другие узоры их ориентации. Но для магнитов с атомами, направленными строго вверх или вниз, учебники сохраняли простое деление.

Все выровнены: ферромагнетик. Чередуются и компенсируются: антиферромагнетик. В Нобелевской лекции Неель назвал антиферромагнетики крайне интересными в теории, но считал, что применений у них, похоже, нет. Десятилетиями это выглядело верным.

Тихий, но трудный для считывания

Затем магнитные накопители пережили взлёт. В 1988 году Альбер Фер и Петер Грюнберг независимо открыли гигантское магнитосопротивление. Оно превращает мельчайшие магнитные изменения в различия электрического сопротивления. Впервые жёсткие диски с такими головками появились в 1997-м; открытие получило Нобелевскую премию по физике в 2007-м.

Магнитные чипы памяти, называемые MRAM, хранят биты как магниты, и данные сохраняются без питания. Но у ферромагнитного бита есть встроенная проблема. Его поле выходит наружу как рассеянное, поэтому тесно упакованные биты мешают друг другу. У антиферромагнетика почти нет рассеянного поля, поэтому соседние биты меньше мешают друг другу.

В одном опыте поле до 12 тесла (единиц напряжённости магнитного поля) было более чем в тысячу раз сильнее поля холодильного магнита, но не нарушило биты антиферромагнитной памяти. Антиферромагнетики могут быть и быстрее. В 2018 году команда записала данные в память из меди, марганца и мышьяка импульсами по 250 пикосекунд.

Каждый длился четверть миллиардной доли секунды, до 4 гигагерц: 4 млрд циклов в секунду. Затем использовали терагерцевые световые импульсы с триллионом колебаний в секунду; каждый длился около пикосекунды, то есть триллионной доли секунды. По их словам, сопоставимое переключение в ферромагнетиках не продвинулось далеко за 5 гигагерц. Они оценили: по сравнению с их антиферромагнетиком ферромагнетику на терагерцевых скоростях

потребовалось бы примерно в 100 и 1 000 раз больше тока через ту же площадь и энергии соответственно. Значит, антиферромагнетики стабильны, компактны и быстры. Но сильный электрический сигнал от них получить сложнее. Физик Либор Шмейкал назвал намагниченность и полезным свойством, и «врагом».

Антиферромагнетики считываются электрически, но им не хватает сильного спинового расщепления, на котором основаны ферромагнитные устройства. Они достаточно тихие, чтобы уменьшить магнитные помехи между соседними битами, но их труднее считывать и контролировать. Инженерам нужен был магнит, тихий как антиферромагнетик, но с электронами ферромагнетика, пригодными для считывания.

Недостающее вращение

В январе 2019 года Шмейкал, Хайро Синова, Томаш Юнгвирт и коллега Гонсалес-Эрнандес опубликовали прогноз для некоторых антиферромагнетиков. Они утверждали, что некоторые из этих магнитов, несмотря на компенсацию малых атомных магнитов, могут давать сигнал Холла: напряжение поперёк материала, перпендикулярное току, обычно связанное с ферромагнетиками.

В 2022 году Шмейкал, Синова и Юнгвирт, работавшие в Майнце (Германия) и Праге (Чехия), опубликовали полную классификацию. Они классифицировали магниты с компенсирующимися атомными магнитами одним вопросом о симметрии: какие преобразования сохраняют узор? Какое преобразование меняет направленные вверх атомы на направленные вниз? В обычном антиферромагнетике это делает сдвиг на шаг или инверсия через центр.

И преобразование должно соответствовать окружающим атомам. В новом классе ни сдвиг, ни инверсия не работают: для соответствия окружению нужен поворот. Команда предложила название «альтермагнетизм». Science News взял образ из искусства: если антиферромагнетик похож на шахматную доску, альтермагнетик

напоминает мозаику М. К. Эшера: сцепленные фигуры без промежутков. Соседние плитки не только меняют цвет, но и поворачиваются. Сам магнитный атом не поворачивается, лишь окружение. Каждый магнитный атом находится в клетке из соседних атомов, например кислорода или теллура.

В альтермагнетике клетка вокруг атома, направленного вверх, ориентирована одним образом, а вокруг атома вниз повёрнута. По их словам, альтермагнетизм возможен в кристаллах из распространённых лёгких элементов.

Электроны разделяются по направлению

Повернутая клетка меняет движение электронов. В альтермагнетике электроны со спином вверх и вниз получают разные энергии, как в ферромагнетике. Но разница зависит от направления движения и меняет знак при его повороте. Для примера представьте перекрёсток с четырьмя направлениями.

На дороге север-юг быструю полосу получают электроны со спином вверх. На дороге восток-запад её получают электроны со спином вниз. Во всём кристалле противоположные магнитные моменты компенсируются, внешнего поля нет. Но ток вдоль одной дороги может предпочесть один спин.

На это чередование знака указывает название «альтермагнетизм». В простейших случаях узор похож на четырёхлистный клевер, который авторы сравнили с d-волновыми сверхпроводниками: при спаривании электронов возникает похожий четырёхлепестковый узор. Эффекту не нужна спин-орбитальная связь, связывающая спин электрона с движением и наиболее сильная у тяжёлых атомов.

В расчётах для диоксида рутения расщепление достигало примерно 1 электронвольта у электронов, движущихся в определённых направлениях. В сравнении 2022 года это примерно в 10 раз больше рекордного расщепления от релятивистских эффектов, в объёмных кристаллах с тяжёлыми элементами, то есть цельных образцах, а не тонких слоях. Электронвольт - крошечная единица энергии, но для электрона в кристалле 1 электронвольт - много.

Потом начались эксперименты. В феврале две тысячи двадцать четвёртого года международная команда сообщила об измерениях теллурида марганца, MnTe, изготовленного на Швейцарском источнике света Института Пауля Шеррера. MnTe давно считали обычным антиферромагнетиком.

Они применили фотоэмиссию с разрешением по спину: свет выбивает электроны и измеряет их энергию, направление и спин. Расщепление обнаружили, результат опубликовали в Nature. Группа Университета Тохоку в Японии измерила в MnTe расщепление до 0,8 электронвольта в определённых направлениях. MnTe сохраняет магнитный порядок до 307 кельвинов, примерно 34 градусов Цельсия.

В марте 2024 года команда из Майнца сообщила о расщеплении в тонких плёнках, очень тонких слоях, антимонида хрома, хорошо проводящего материала из хрома и сурьмы, или CrSb. В 2025 году другая команда составила трёхмерную карту расщепления в CrSb. Они обнаружили до примерно 1,0 электронвольта, близко к энергиям электронов, несущих ток.

CrSb сохраняет порядок до примерно семисот пяти кельвинов, около четырёхсот тридцати градусов Цельсия. Его узор сложнее клевера, с большим числом лепестков, физики называют его g-волновым. Позже в 2024 году команда Ноттингемского университета получила рентгеновское изображение MnTe в лаборатории MAX IV в Швеции. В плёнке толщиной 30 нанометров, в тысячи раз тоньше волоса, при примерно минус 173 градусах Цельсия

они увидели вихри и антивихри, закрученные в противоположные стороны. Придавая плёнке форму или охлаждая её в магнитном поле, они создавали нужные конфигурации. Питер Уодли назвал это «антиферромагнетизмом с поворотом». По данным Университета Майнца, журнал Science включил альтермагнетизм в число прорывов 2024 года.

Но простую историю надо уточнить: компенсация в MnTe не идеальна. В нём остаётся крошечная намагниченность, примерно одна тысячная магнитного момента электрона на атом марганца. Она мала, но исследователи могут использовать её как рычаг управления магнитным порядком.

Скрытый в ящике

Томаш Юнгвирт сказал, что альтермагнетизм есть «во многих кристаллах, которые люди просто держали в ящиках». По оценке базы данных, о которой сообщило Science News, было 232 кандидата в альтермагнетики. Это больше ста девяноста трёх кандидатов в ферромагнетики, но намного меньше восьмисот двадцати семи кандидатов в антиферромагнетики. Хайро Синова говорил о магнитной фазе, отдельном магнитном состоянии, которое «оставалось скрытым более ста лет».

Хороший заголовок, но не вся история. Статья Зунгера, Рашбы и коллег 2020 года прослеживает теорию магнитного спинового расщепления до работ Пекара и Рашбы 1964 года. В августе 2019 года японские физики Хаями, Янаги и Кусунозе показали, что некоторые антиферромагнетики могут расщеплять электроны по спину без спин-орбитальной связи.

В декабре 2019 года группа Зунгера предсказала расщепление до примерно 300 миллиэлектронвольт, около трети электронвольта, во фториде марганца, материале из марганца и фтора, тоже без спин-орбитальной связи. Фторид марганца упорядочивается только ниже шестидесяти семи кельвинов, примерно минус двести шесть градусов Цельсия. Паоло Радаэлли из Оксфорда отметил, что авторы используют немного разные определения альтермагнетизма.

Он также указал, что пьезомагнетизм, при котором сжатие или растяжение кристалла может менять его намагниченность, известен с 1950-х годов. Он считает, что термин придумали Шмейкал и его коллеги. И всё же теоретик Игорь Мазин сказал Science News, что почему-то «никто не подумал об этой возможности». Части идеи десятилетиями были разбросаны по статьям.

Команда из Майнца и Праги добавила полную классификацию по симметрии, название и предсказания, направившие эксперименты. По данным их института, раннюю теорию только в две тысячи двадцать пятом году процитировали более одной тысячи раз. В июле 2026 года Европейское физическое общество присудило Шмейкалу, Синове и Юнгвирту премию Europhysics за открытие альтермагнетизма.

Мечта о памяти

Почему это важно не только в лаборатории? Потому что много памяти уже магнитной. В 2019 году Samsung объявила массовый выпуск встроенной MRAM в других чипах по 28-нанометровому техпроцессу. Она заявила: запись примерно в 1 000 раз быстрее встроенной флеш-памяти, а данные сохраняются без питания.

В 2021 году Everspin сообщила, что её MRAM на 256 килобит встроили в основную систему силовой установки электромобиля Lucid Air. У Samsung эти 1 000 раз сравнивают два уже существующих типа памяти. К альтермагнетикам это не относится. Альтермагнетик обещает оба желаемых свойства.

Его электроны разделены по спину, как в ферромагнетике, поэтому в принципе его можно считывать электричеством. Его суммарная намагниченность почти нулевая, как у антиферромагнетика, поэтому биты можно размещать тесно, без утечки полей. По словам института, такая фаза "может снять ограничения ферромагнетиков на масштабирование", то есть на плотность упаковки битов. Пресс-релиз Ноттингема пошёл дальше: замена компонентов может дать "тысячекратный рост скорости".

Это прогноз для будущих компонентов, не измеренное ускорение. Терагерцовая запись 2018 года проходила в обычном антиферромагнетике, не в альтермагнетике. Как увидим, первые эксперименты по переключению альтермагнетиков совсем недавние, а до чипа памяти ещё далеко.

Как далеко до применения

Где технология находится на деле? Основа ячейки MRAM - магнитный туннельный переход. Это два магнитных слоя с очень тонким изолятором между ними, почти не пропускающим ток. Сопротивление меняется, когда слои направлены одинаково или противоположно.

Это называют туннельным магнитосопротивлением, или TMR. В ферромагнитной MRAM TMR может достигать сотен процентов. В июне 2025 года команда UNIST в Южной Корее сообщила о туннельном переходе на диоксиде рутения, RuO2, истолковав его сигнал как альтермагнетизм.

Другими слоями были диоксид титана и обычный ферромагнетик кобальт-железо-бор. Туннельное магнитосопротивление достигло примерно пяти процентов при десяти кельвинах, то есть минус двухстах шестидесяти трёх градусах Цельсия. Выше примерно 50 кельвинов оно почти исчезало. Обзор 2025 года Юнгвирта и коллег говорит: исследователи предсказывают

в альтермагнетиках туннельное магнитосопротивление, сравнимое с ферромагнетиками. Это прогноз, не измерение. Вторая проблема - сам материал. Диоксид рутения был ранним показательным кандидатом.

В начале 2024 года команда DESY в Германии использовала микроскоп импульсного пространства, отображающий энергии и направления электронов. Она сообщила о характерном нарушении симметрии обращения времени: при обратном ходе времени картина электронов меняется. Но в том же году эксперименты с мюонами, короткоживущими частицами, служащими крошечными магнитными зондами, и с нейтронами не обнаружили магнитного порядка в проверенных кристаллах и плёнках.

В 2026 году новые измерения объёмных кристаллов тоже не нашли порядка, а плёнки толщиной всего 2 нанометра, растянутые или сжатые кристаллом-основой, показали узор магнитных направлений. Обзор две тысячи двадцать шестого года подводит итог: магнитное основное состояние диоксида рутения, его самая низкоэнергетическая конфигурация, "остаётся предметом споров". Сигнал туннельного перехода реален, но показывает ли он альтермагнетизм, всё ещё спорно.

Поэтому видео опирается на MnTe и CrSb. Третья проблема - переключение. Память должна менять биты по команде, и они должны сохраняться. Управление магнитными доменами, областями с одинаковым направлением узора, по словам обзора, - "ключевая предпосылка".

Более ранний эксперимент с оксидом железа тулия менял порядок лишь временно: без питания он не сохранялся. Здесь CrSb уже даёт результат. В феврале 2025 года команда сообщила в Nature: электрические токи могут переключать альтермагнитный порядок в плёнках CrSb, дающих считываемый холловский сигнал при комнатной температуре.

В августе 2026 года другая команда сообщила, что может считывать порядок в антимониде хрома и переключать его в выбранное состояние в слоистом устройстве с дителлуридом платины, материалом из платины и теллура. Они написали, что это может "проложить путь к масштабируемой альтермагнитной памяти". Есть и хорошие новости о температуре.

MnTe, CrSb и два более новых соединения ванадия сохраняют порядок выше комнатной температуры. Итог таков. Физика подтверждена в нескольких материалах. Порядок при комнатной температуре существует, опубликованы первые эксперименты по его электрическому считыванию и переключению.

Пока нет ячейки памяти комнатной температуры, которая переключается электрически и даёт сигнал такой же силы, как современная MRAM, не говоря уже о конкурентоспособном чипе.

Больше двух

Вернёмся к магниту на холодильнике. Его знает каждый, и он самый заметный. В базе магнитов с компенсирующимися моментами более чем впятеро больше ферромагнетиков. Почти век большинство таких тихих магнитов относили к одной категории.

Некоторые всё это время распределяли электроны по полосам. Новый материал для их поиска не понадобился. MnTe уже лежал в ящике. Изменился вопрос физиков о симметрии.

Изменит ли он память в ваших устройствах, пока неизвестно. Дальнейшие опыты покажут, на что способны эти материалы. Пока честный ответ: магнитов больше двух типов, и мы всё ещё их классифицируем.