Forskere opdager en 2-D magnet

Magnetiske materialer danner grundlaget for teknologier, der spiller en stadig mere afgørende rolle i vores liv i dag, inklusive registrering og harddiskdatalagring. Men da vores innovative drømme fremmaner ønsker om stadigt mindre og hurtigere enheder, forskere søger nye magnetiske materialer, der er mere kompakte, mere effektiv og kan styres ved hjælp af præcise, pålidelige metoder.

Et hold ledet af University of Washington og Massachusetts Institute of Technology har for første gang opdaget magnetisme i 2D-verdenen af ​​monolag, eller materialer, der er dannet af et enkelt atomlag. Fundene, offentliggjort 8. juni i tidsskriftet Natur , demonstrere, at magnetiske egenskaber kan eksistere selv i 2-D-riget - hvilket åbner en verden af ​​potentielle applikationer.

"Det, vi har opdaget her, er et isoleret 2-D-materiale med iboende magnetisme, og magnetismen i systemet er meget robust, " sagde Xiaodong Xu, en UW professor i fysik og materialevidenskab og teknik, og medlem af UW's Clean Energy Institute. "Vi forestiller os, at nye informationsteknologier kan dukke op baseret på disse nye 2-D magneter."

Xu og MIT fysikprofessor Pablo Jarillo-Herrero ledede det internationale hold af videnskabsmænd, der beviste, at materialet - chromtriiodid, eller CrI3 - har magnetiske egenskaber i sin monolagsform.

Andre grupper, inklusive medforfatter Michael McGuire ved Oak Ridge National Laboratory, havde tidligere vist, at CrI3 - i sin flerlagede, 3-D, bulkkrystalform - er ferromagnetisk. I ferromagnetiske materialer, "spin" af konstituerende elektroner, analogt med lille, subatomare magneter, justere i samme retning selv uden et eksternt magnetfelt.

Men intet 3-D magnetisk stof havde tidligere bevaret sine magnetiske egenskaber, når det blev fortyndet til et enkelt atomark. Faktisk, enkeltlagsmaterialer kan demonstrere unikke egenskaber, der ikke ses i deres flerlagede, 3D-former.

"Du kan simpelthen ikke præcist forudsige, hvad den elektriske, magnetiske, fysiske eller kemiske egenskaber af en 2-D monolag krystal vil være baseret på opførselen af ​​dens 3-D bulk modstykke, " sagde co-lead forfatter og UW doktorand Bevin Huang.

Atomer i monolagsmaterialer betragtes som "funktionelt" todimensionelle, fordi elektronerne kun kan bevæge sig inden for atomarket, som brikker på et skakbræt.

For at opdage egenskaberne af CrI3 i sin 2-D form, holdet brugte Scotch tape til at barbere et monolag af CrI3 af det større, 3-D krystalform.

"At bruge scotch tape til at eksfoliere et monolag fra dets 3-D bulk krystal er overraskende effektivt, " sagde co-lead forfatter og UW ph.d.-studerende Genevieve Clark. "Denne enkle, lavpris teknik blev først brugt til at opnå grafen, 2D-formen af ​​grafit, og er blevet brugt med succes siden da med andre materialer."

I ferromagnetiske materialer, de justerede spins af elektroner efterlader en afslørende signatur, når en stråle af polariseret lys reflekteres fra materialets overflade. Forskerne opdagede denne signatur i CrI3 ved hjælp af en speciel type mikroskopi. Det er det første definitive tegn på iboende ferromagnetisme i et isoleret monolag.

Overraskende nok, i CrI3 flager, der er to lag tykke, den optiske signatur forsvandt. Dette indikerer, at elektronspindene er modsat justeret i forhold til hinanden, et udtryk kendt som anti-ferromagnetisk bestilling.

Ferromagnetisme vendte tilbage i tre-lags CrI3. Forskerne bliver nødt til at udføre yderligere undersøgelser for at forstå, hvorfor CrI3 viste disse bemærkelsesværdige lagafhængige magnetiske faser. Men til Xu, disse er blot nogle af de helt unikke egenskaber, der afsløres ved at kombinere monolag.

"2-D monolag alene tilbyder spændende muligheder for at studere den drastiske og præcise elektriske kontrol af magnetiske egenskaber, hvilket har været en udfordring at realisere ved at bruge deres 3-D bulkkrystaller, " sagde Xu. "Men en endnu større mulighed kan opstå, når du stabler monolag med forskellige fysiske egenskaber sammen. der, du kan få endnu flere eksotiske fænomener, der ikke ses i monolaget alene eller i 3-D bulkkrystallen."

Meget af Xus forskning fokuserer på at skabe heterostrukturer, som er stakke af to forskellige ultratynde materialer. I grænsefladen mellem de to materialer, hans team søger efter nye fysiske fænomener eller nye funktioner for at tillade potentielle anvendelser inden for computer- og informationsteknologier.

I et relateret fremskridt, Xus forskningsgruppe, UW elektroingeniør- og fysikprofessor Kai-Mei Fu ledede et hold af kolleger, der offentliggjorde en afhandling 31. maj i Videnskabens fremskridt viser, at en ultratynd form af CrI3, når stablet med et monolag af wolframdiselenid, skaber en ultraren "heterostruktur"-grænseflade med unikke og uventede fotoniske og magnetiske egenskaber.

"Heterostrukturer har det største løfte om at realisere nye applikationer inden for computere, database lagring, kommunikation og andre applikationer, vi ikke engang kan fatte endnu, " sagde Xu.

Xu og hans team vil dernæst gerne undersøge de magnetiske egenskaber, der er unikke for 2-D magneter og heterostrukturer, der indeholder et CrI3 monolag eller dobbeltlag.