2-D magnetisme når en ny milepæl

Forskere ved Center for korrelerede elektronsystemer, inden for Institute for Basic Science (IBS) i Sydkorea, i samarbejde med Sogang University og Seoul National University, rapporterede den første eksperimentelle observation af et antiferromagnetisk materiale af XY-typen, hvis magnetiske orden bliver ustabil, når den reduceres til tykkelse på et atom. Udgivet i Naturkommunikation , disse fund er i overensstemmelse med teoretiske forudsigelser, der går tilbage til 1970'erne.

Dimensionalitet i fysik er et vigtigt begreb, der bestemmer materiens natur. Opdagelsen af ​​grafen åbnede dørene til 2-D-verdenen:et sted, hvor det at være et atom eller to-atom tykt gør en forskel. Siden da, flere forskere blev interesseret i at eksperimentere med 2-D materialer, herunder magnetiske materialer.

Magnetiske materialer er kendetegnet ved deres spinadfærd. Spins kan justeres parallelt eller parallelt med hinanden, resulterer i ferromagneter eller antiferromagneter, henholdsvis. Udover det, alle materialer kan i princippet, tilhører tre forskellige modeller ifølge en grundlæggende forståelse af fysik:Ising, XY eller Heisenberg. XY -modellen forklarer adfærden for materialer, hvis spins kun bevæger sig på et plan bestående af x- og y -aksen.

Centrifugeringsadfærd kan dramatisk ændre sig ved at skære magneten ned til dens tyndeste niveau, da 2-D materialer er mere følsomme over for temperatursvingninger, som kan ødelægge mønsteret af veljusterede spins. For næsten 50 år siden, John M. Kosterlitz og David J. Thouless, og Vadim Berezinskii uafhængigt af hinanden, beskrevet teoretisk, at 2-D XY-modeller ikke undergår en normal magnetisk faseovergang ved lave temperaturer, men en meget usædvanlig form, senere kaldet BKT -overgang. De indså, at kvanteudsving i individuelle spins er meget mere forstyrrende i 2-D-verdenen end i 3D-en, hvilket kan føre til, at spins tager et hvirvelmønster. Kosterlitz og Thouless blev tildelt Nobelprisen i fysik i 2016.

I årenes løb, ferromagnetiske materialer er blevet bredt analyseret, men forskning i antiferromagnetiske materialer skred ikke frem med samme hastighed. Årsagen er, at sidstnævnte har brug for forskellige eksperimentelle teknikker. "På trods af interessen og det teoretiske grundlag, ingen har nogensinde eksperimenteret med det. Hovedårsagen til dette er, at det er meget vanskeligt i detaljer at måle de magnetiske egenskaber af et så tyndt antiferromagnetisk materiale, " siger PARK Je-Geun, hovedforfatter til publikationen.

Forskerne involveret i denne undersøgelse fokuserede på en klasse af overgangsmetaller, der er egnede til at studere antiferromagnetisk orden i 2-D. Blandt dem, nikkelphosphortrisulfid (NiPS3) svarer til XY-typen og er antiferromagnetisk ved lave temperaturer. Det er også et van der Waals -materiale, kendetegnet ved stærke intra-lag bindinger, og let brydbare mellemlagsforbindelser. Som resultat, NiPS3 kan fremstilles i flere lag, med en teknik kaldet kemisk dampaflejring, og derefter eksfolieret ned til monolag, giver mulighed for at undersøge sammenhængen mellem magnetisk rækkefølge og antal lag.

Holdet analyserede og sammenlignede NiPS3 i bulk og som monolag med Raman-spektroskopi, en teknik, der gør det muligt at bestemme antallet af lag og fysiske egenskaber. De bemærkede, at deres magnetisme ændrede sig i henhold til tykkelsen:spins' bestilling er undertrykt på monolagsniveau.

"Det interessante er den drastiske ændring mellem dobbeltlaget og monolaget. Ved første øjekast, der er muligvis ikke den store forskel mellem de to, men effekten af ​​at bevæge sig fra to dimensioner til tre dimensioner får deres fysiske egenskaber til at vende brat, "forklarer Park.

Dette er et andet eksempel på tykkelsesafhængige magnetiske materialer. Blandt dem, chromtriiodid (CrI ₃ ) er ferromagnetisk som monolag, anti-ferromagnetisk som dobbeltlag, og tilbage til ferromagnetisk som trilag. Og i modsætning til jerntrithiohypophosphat (FePS ₃ ), som IBS -forskere fra Prof. Parks gruppe fandt ud af i 2016, at den holder sin antiferromagnetiske bestilling intakt helt ned til monolag.

Gruppen undersøger også Heisenberg -modellen, og nye fænomener, der opstår ved kombinationen af ​​antiferromagnetiske materialer med andre.