Forskere kontrollerer undvigende spin-udsving i 2-D-magneter

Ligesom Bigfoot og Loch Ness-monstret, kritiske spin-udsving i et magnetisk system er ikke blevet fanget på film. I modsætning til fabelvæsner, disse fluktuationer - som er stærkt korrelerede elektronspinmønstre - eksisterer faktisk, men de er for tilfældige og turbulente til at blive set i realtid.

Et Cornell-team udviklede en ny billedbehandlingsteknik, der er hurtig og følsom nok til at observere disse uhåndgribelige kritiske udsving i todimensionelle magneter. Denne billeddannelse i realtid giver forskere mulighed for at kontrollere udsvingene og skifte magnetisme via en "passiv" mekanisme, der i sidste ende kan føre til mere energieffektive magnetiske lagringsenheder.

Radikalt samarbejde

Holdets papir, "Billeddannelse og kontrol af kritiske udsving i todimensionelle magneter, " udgivet 8. juni i Naturmaterialer .

Avisens co-senior forfattere er Kin Fai Mak, lektor i fysik ved College of Arts and Sciences, og Jie Shan, professor i anvendt og teknisk fysik på Ingeniørhøjskolen. Begge forskere er medlemmer af Kavli Institute ved Cornell for Nanoscale Science, og de kom til Cornell gennem provostens Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano) initiativ. Deres fælles laboratorium har specialiseret sig i fysik af atomisk tynde kvantematerialer.

Magnetiseringsudsving betragtes som "kritiske", når de forekommer nær det termodynamiske kritiske punkt, som er det øjeblik, hvor en form for stof går over i en ny fase, giver anledning til alle mulige usædvanlige fænomener. Et typisk eksempel er jern, som mister sine magnetiske egenskaber, når de opvarmes til ekstreme temperaturer.

I denne kritiske region, eller regime, udsvingene holder op med at opføre sig tilfældigt og bliver i stedet stærkt korrelerede.

"Hvis du forestiller dig, at alle luftmolekyler er korrelerede, de bevæger sig sammen på en meget stor længdeskala som vind, " sagde Chenhao Jin, en postdoc ved Kavli Instituttet og avisens hovedforfatter. "Det er, hvad der sker, når udsvinget bliver korreleret. Det kan føre til dramatiske effekter i et system og i enhver skala, fordi korrelationen, i princippet, kan gå i det uendelige. Udsvinget, vi ser på her, er spindet, eller magnetisk moment, udsving."

Disse kritiske magnetiseringsudsving er svære at se, fordi de konstant ændrer sig og forekommer i et meget snævert temperaturområde.

"Fysikere har studeret den magnetiske faseovergang i mange årtier, og vi ved, at dette fænomen lettere kan observeres i et todimensionelt system, " sagde Mak. "Hvad er mere todimensionelt end en magnet, der kun har et enkelt lag atomer?"

At observere et signal fra et enkelt atomlag giver stadig masser af udfordringer. Forskerne brugte en enkeltlags ferromagnetisk isolator, chrombromid, der som et todimensionelt system har et bredere kritisk regime og stærkere udsving. For at se disse udsving i realtid, forskerne havde brug for en metode, der var lige så hurtig, med en høj rumlig opløsning og bred billeddannelseskapacitet.

Holdet var i stand til at opfylde disse kriterier ved at bruge lys med en meget ren polarisationstilstand til at sondere monolaget og optage et rent signal fra det magnetiske moment - som er magnetens styrke og orientering - når den laver sine spontane udsving.

Evnen til at fange dette fænomen i realtid betyder, at forskerne kan kontrollere de kritiske udsving i magneten blot ved at påføre en lille spænding og lade udsvingene skifte frem og tilbage mellem tilstande. Når den målsatte tilstand eller værdi er opnået, spændingen kan slukkes. Intet magnetfelt er nødvendigt for at kontrollere udsvingene, fordi de i det væsentlige driver sig selv. Dette kan potentielt føre til skabelsen af ​​magnetiske lagerenheder, der bruger meget mindre energi.

"Det er et fundamentalt anderledes koncept end aktiv magnetisk tilstandsskifte, fordi det er fuldstændig passivt, " sagde Mak. "Det er et skift baseret på informationen opnået fra målinger, frem for aktivt at drive systemet. Så det er et nyt koncept, der potentielt kan spare en masse energi."