Hidtil uset indsigt i todimensionelle magneter ved hjælp af diamant kvantesensorer

For første gang, Det er lykkedes fysikere ved universitetet i Basel at måle de magnetiske egenskaber af atomisk tynde van der Waals-materialer på nanoskala. De brugte diamantkvantesensorer til at bestemme styrken af ​​magnetiseringen af ​​individuelle atomlag af materialet chromtriiodid. Ud over, de fandt en længe søgt forklaring på materialets usædvanlige magnetiske egenskaber. Journalen Videnskab har offentliggjort resultaterne.

Brugen af ​​atomare tynde, todimensionelle van der Waals materialer lover innovationer inden for adskillige områder inden for videnskab og teknologi. Forskere rundt om i verden udforsker konstant nye måder at stable forskellige enkelt atomare lag og dermed konstruere nye materialer med unikke, nye ejendomme.

Disse supertynde kompositmaterialer holdes sammen af ​​van der Waals-kræfter og opfører sig ofte anderledes end bulkkrystaller af samme materiale. Atomisk tynde van der Waals materialer omfatter isolatorer, halvledere, superledere og enkelte materialer med magnetiske egenskaber. Deres brug i spintronics eller ultrakompakte magnetiske hukommelsesmedier er meget lovende.

Den første kvantitative måling af magnetisering

Indtil nu, det har ikke været muligt at bestemme styrken, justering og struktur af disse magneter kvantitativt eller på nanoskala. Holdet ledet af Georg-H.-Endress professor Patrick Maletinsky fra Institut for Fysik og det schweiziske Nanovidenskabsinstitut ved Universitetet i Basel har vist, at brugen af ​​diamantspidser dekoreret med enkelte elektronspin i et atomkraftmikroskop er ideelt egnet til disse typer undersøgelser.

"Vores metode, som bruger de individuelle spins i diamantfarvecentre som sensorer, åbner et helt nyt felt. De magnetiske egenskaber af todimensionelle materialer kan nu studeres på nanoskala og endda på en kvantitativ måde. Vores innovative kvantesensorer er perfekt egnede til denne komplekse opgave, " siger Maletinsky.

Antallet af lag er kritisk

Ved at bruge denne teknologi, som oprindeligt blev udviklet i Basel, og som er baseret på et enkelt elektronspin, forskerne samarbejdede med forskere fra Universitetet i Genève for at bestemme de magnetiske egenskaber af enkelte atomlag af chromtriiodid (CrI) ₃ ). Forskerne var således i stand til at finde svaret på et centralt videnskabeligt spørgsmål om dette materiales magnetisme.

Som en tredimensionel, bulk krystal, chromtriiodid er fuldt magnetisk ordnet. I tilfælde af få atomlag, imidlertid, kun stakke med et ulige antal atomlag viser en magnetisering, der ikke er nul. Stabler med et lige antal lag udviser en antiferromagnetisk adfærd; dvs de er ikke magnetiserede. Årsagen til denne "lige/ulige effekt" og uoverensstemmelsen til bulkmateriale var tidligere ukendt.

Strain som årsag

Maletinskys hold var i stand til at demonstrere, at dette fænomen skyldes det specifikke atomarrangement af lagene. Under prøveforberedelse, de enkelte chromtriiodidlag bevæger sig lidt mod hinanden. Den resulterende belastning i gitteret betyder, at spindene af på hinanden følgende lag ikke er i stand til at justere i samme retning; i stedet, spin-retningen skifter i lagene. Med et lige antal lag, magnetiseringen af ​​lagene ophæver; med et ulige tal, styrken af ​​den målte magnetisering svarer til styrken af ​​et enkelt lag.

Imidlertid, når belastningen i stakken frigøres - f.eks. ved at punktere prøven - alle lags spins kan justeres i samme retning, som også observeres i bulkkrystaller. Den magnetiske styrke af hele stakken er da i overensstemmelse med summen af ​​de enkelte lag.

Arbejdet udført af Basel-forskerne besvarer dermed ikke kun et nøglespørgsmål om todimensionelle van der Waals-magneter, det åbner også interessante perspektiver på, hvordan deres innovative kvantesensorer i fremtiden kan bruges til at studere todimensionelle magneter for at bidrage til udviklingen af ​​nye elektroniske komponenter.