Spinbølge-detektivhistorie redux:Forskere finder mere overraskende adfærd i en 2-D magnet

For et par måneder siden, et team af forskere fra National Institute of Standards and Technology (NIST) rapporterede noget overraskende om et 2-D magnetisk materiale:Adfærd, der længe havde været formodet at skyldes vibrationer i gitteret-atomernes indre struktur i materialet i sig selv - skyldes faktisk en bølge af spin -svingninger.

Denne uge, samme gruppe beskriver et andet overraskende fund i et andet 2-D magnetisk materiale:Adfærd, der formodes at skyldes en bølge af spin-svingninger, skyldes faktisk vibrationer i gitteret.

Arbejdet, udgivet i Naturkommunikation , er yderligere bevis på, at NIST-teamets unikke eksperimentelle evner spiller en afgørende rolle som et undersøgelsesværktøj for forskere, der studerer disse 2-D magneter.

Bølger af spin -svingninger involverer ændringer i en kvanteegenskab af atomer kaldet spin; den funktion, der gør magneter magnetiske. Hvis du tænker på hvert atom som et kompas, derefter er spin (metaforisk) kompassets nål. I denne metafor, imidlertid, spin kan pege både nord (op) og syd (ned). I nogle materialer, spin kan "vende" fra en metaforisk retning til en anden.

Eksperimentet anvendte Raman -spektroskopi, en teknik, der sonderer en prøve med laserlys og derefter måler, hvordan det lys spredes af prøven. Dette kan afsløre oplysninger om et 2-D materiale såsom dets struktur, fejl, doping, antal lag og kobling mellem lagene, og mere. Det specialdesignede Raman-system på NIST tilføjer muligheden for samtidig at spore det spredte lys som en funktion af både temperatur og magnetfelt.

Manipulering af temperaturen og magnetfeltet, mens man måler Raman -signalet, gør det muligt for forskere at identificere, om de observerer gittervibrationer eller spinbølger. Desuden, i dette nye papir rapporterer forskere, at de kan spore spins inden for et enkelt lag, når spinsene "vender" til en ny retning.

Forskere ved, at den adfærd, de fandt, er iboende for selve materialet, fordi Raman-spektroskopi gør det muligt for dem at undersøge 2-D-materialet ikke-invasivt, uden tilføjelse af elektroniske kontakter, der kunne påvirke resultaterne.

"Vores data viser klare funktioner, der identificerer en magnetisk faseovergang i materialet ved hjælp af lys som en sonde, "Hight Walker sagde." Lag for lag, vi ser spins ændre deres retning. "

Betydningen af ​​2-D magneter

Nogle materialer er sammensat af lag, der interagerer meget svagt, som gør det muligt for forskere at trække fra hinanden eller isolere individuelle lag og få adgang til atomtynde (i størrelsesordenen få nanometer) 2-D-ark. For eksempel, grafen var det første 2-D materiale isoleret fra grafit ved hjælp af en klæbende overflade til at skrælle et enkelt lag af et atom tykt.

Disse materialer kaldes 2-D, fordi, mens de kan være relativt brede - på mikrometerskalaen - de er også ekstremt tynde - så tynde som et enkelt atom eller 100, 000 gange mindre end et menneskehår. Denne egenskab giver mulighed for mere tilpasning end 3D-materialer. Dramatiske forskelle kan ses mellem et og endda så få som to lag af det samme materiale.

Men indtil for nylig, ingen troede, at lagdelte materialer kunne være magnetiske, når du reducerer deres størrelse ned til 2-D-grænsen. Derefter, for bare et par år siden, det blev opdaget, at nogle af dem kunne, faktisk, holde deres magnetiske adfærd i et enkelt lag, og 2-D magneter blev et varmt forskningsemne.

Det NIST-ledede arbejde, udført i samarbejde med forskere fra Ohio State University, Towson University, Penn State University, University of Arkansas, og National Institute of Materials Science i Japan, involverer et 2-D materiale kaldet chromtriiodid (CrI3), som har lovende egenskaber, der en dag kan manipuleres til at gøre enheder nyttige til kvanteberegning.

Jo mere forskere lærer om disse 2-D materialer, jo tættere de er på at realisere potentielle applikationer, især inden for næste generations elektronik og endda kvanteinformation.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.