Forskere opdager nye atomisk lag, tynd magnet

Det virker måske ikke som et materiale, der er så tyndt som et atom, kan skjule overraskelser, men et forskerhold ledet af forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) opdagede en uventet magnetisk egenskab i et todimensionalt materiale.

Forskerne fandt ud af, at en 2-D van der Waals krystal, del af en materialeklasse, hvis atom tynde lag kan skrælles af en efter en med klæbebånd, besad en iboende ferromagnetisme.

Opdagelsen, offentliggøres 26. april i tidsskriftet Natur , kunne have store konsekvenser for en lang række applikationer, der er afhængige af ferromagnetiske materialer, såsom nanoskalahukommelse, spintronic -enheder, og magnetiske sensorer.

"Dette er en spændende opdagelse, "sagde undersøgelsesforsker Xiang Zhang, senior fakultetsforsker ved Berkeley Labs Materials Sciences Division og UC Berkeley professor. "Dette eksperiment præsenterer ryge-pistol beviser for en atom tynd-og atomisk flad-magnet, hvilket overraskede mange mennesker. Det åbner døren for at udforske grundlæggende spin -fysik og spintronic -applikationer ved lave dimensioner. "

Undersøgelsen behandler et mangeårigt problem inden for kvantefysik om, hvorvidt magnetisme ville overleve, når materialer krymper til to dimensioner. I et halvt århundrede, Mermin-Wagner-sætningen har behandlet dette spørgsmål ved at sige, at hvis 2-D-materialer mangler magnetisk anisotropi, en retningsbestemt justering af elektronspins i materialet, der er muligvis ingen magnetisk orden.

"Interessant nok, vi fandt ud af, at magnetisk anisotropi er en iboende egenskab i det 2-D-materiale, vi studerede, og på grund af denne egenskab, vi var i stand til at opdage den iboende ferromagnetisme, "sagde studieforfatteren Cheng Gong, en postdoktor i Zhangs laboratorium.

Van der Waals styrker, opkaldt efter en hollandsk videnskabsmand, refererer til intermolekylære tiltrækningskræfter, der ikke stammer fra de typiske kovalente eller ioniske bindinger, der holder molekyler intakte. Disse kvantekræfter bruges af gekkoer, da de ubesværet springer langs vægge og lofter.

Van der Waals krystaller beskriver materialer, hvor 2-D-lagene ikke er forbundet med hinanden via traditionelle bindinger, så de let kan eksfolieres med tape. Forskning i grafen, det mest kendte van der Waals-materiale, fik Nobelprisen i fysik i 2010.

"Det er som siderne i en bog, "sagde Gong." Siderne kan stables oven på hinanden, men kræfterne, der forbinder en side til en anden, er meget svagere end de kræfter i planet, der holder et enkelt ark intakt. "

Gong vurderer, at for denne undersøgelse, han pillede mere end 3 af 000 flager af chrom germanium tellurid (Cr2Ge2Te6, eller CGT). Mens CGT har eksisteret som massemateriale i årtier, forskerne siger, at 2-D flager kunne repræsentere en spændende ny familie af 2-D van der Waals krystal.

"CGT er også en halvleder, og ferromagnetismen er iboende, "sagde med-seniorforfatter Jing Xia, UC Irvine lektor i fysik og astronomi. "Det gør det renere til applikationer i hukommelse og spintronics."

Forskerne opdager magnetiseringen fra atomtynde materialer ved hjælp af en teknik kaldet magneto-optisk Kerr-effekt. Metoden involverer den superfølsomme påvisning af rotation af lineært polariseret lys, når det interagerer med elektronspins i materialet.

Nøglen til en af ​​undersøgelsens mere overraskende fund er, at den magnetiske anisotropi var meget lille i CGT -materialet. Det gjorde det muligt for forskere let at kontrollere temperaturen, ved hvilken materialet mister sin ferromagnetisme, kendt som overgangs- eller Curie -temperaturen.

"Dette er en betydelig opdagelse, "sagde Gong, "Folk tror, ​​at Curie -temperaturen er en iboende egenskab ved et magnetisk materiale og ikke kan ændres. Vores undersøgelse viser, at det kan."

Forskerne viste, at de kunne kontrollere overgangstemperaturen for CGT -flaget ved hjælp af overraskende små magnetfelter på 0,3 tesla eller mindre.

"Tynde film af metaller som jern, kobolt, og nikkel, i modsætning til 2-D van der Waals materialer, er strukturelt ufuldkomne og modtagelige for forskellige forstyrrelser, som bidrager til en enorm og uforudsigelig falsk anisotropi, "sagde Gong." I modsætning hertil, den stærkt krystallinske og ensartede flade 2-D CGT, sammen med sin lille iboende anisotropi, tillader små eksterne magnetfelter effektivt at konstruere anisotropien, muliggør en hidtil uset magnetfeltkontrol af ferromagnetiske overgangstemperaturer. "

Undersøgelsesforfatterne påpegede også, at et påfaldende træk ved van der Waals -krystaller er, at de let kan kombineres med forskellige materialer uden begrænsninger baseret på strukturel eller kemisk kompatibilitet.

"Mulighederne for at kombinere forskellige materialer til at udvikle nye funktionaliteter er tiltalende, "sagde co-seniorforfatter Steven Louie, senior fakultetsforsker ved Berkeley Labs Materials Sciences Division og UC Berkeley professor i fysik. "Dette giver en enorm fleksibilitet ved design af kunstige strukturer til forskellige magneto-elektriske og magneto-optiske applikationer."