Magnetisk grafen danner en ny form for magnetisme

Forskere har identificeret en ny form for magnetisme i såkaldt magnetisk grafen, som kunne pege vejen mod forståelse af superledning i denne usædvanlige type materiale.

Forskerne, ledet af University of Cambridge, var i stand til at kontrollere konduktiviteten og magnetismen af ​​jerntiophosphat (FePS ₃ ), et todimensionalt materiale, der under komprimering undergår en overgang fra en isolator til et metal. Denne klasse af magnetiske materialer tilbyder nye veje til at forstå fysikken i nye magnetiske tilstande og superledning.

Ved hjælp af nye højtryksteknikker, forskerne har vist, hvad der sker med magnetisk grafen under overgangen fra isolator til leder og ind i dens ukonventionelle metalliske tilstand, kun realiseret under ultrahøjt trykforhold. Når materialet bliver metallisk, det forbliver magnetisk, hvilket er i modstrid med tidligere resultater og giver spor om, hvordan den elektriske ledning i metalfasen fungerer. Den nyopdagede højtryksmagnetiske fase danner sandsynligvis en forløber for superledning, så forståelse af dens mekanismer er afgørende.

Deres resultater, offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgang X , foreslår også en måde, hvorpå nye materialer kan konstrueres til at have kombineret ledning og magnetiske egenskaber, som kunne være nyttig i udviklingen af ​​nye teknologier såsom spintronics, som kunne transformere den måde, computere behandler oplysninger på.

Egenskaber ved stof kan ændre sig dramatisk med ændret dimension. For eksempel, grafen, kulstof nanorør, grafit og diamant er alle lavet af carbonatomer, men har meget forskellige egenskaber på grund af deres forskellige struktur og dimensionalitet.

"Men forestil dig, hvis du også var i stand til at ændre alle disse egenskaber ved at tilføje magnetisme, "sagde første forfatter Dr. Matthew Coak, som i fællesskab er baseret på Cambridge's Cavendish Laboratory og University of Warwick. "Et materiale, der kan være mekanisk fleksibelt og danne en ny form for kredsløb til lagring af oplysninger og udførelse af beregninger. Derfor er disse materialer så interessante, og fordi de drastisk ændrer deres egenskaber, når de sættes under pres, så vi kan kontrollere deres adfærd. "

I en tidligere undersøgelse af Sebastian Haines fra Cambridge's Cavendish Laboratory og Department of Earth Sciences, forskere fastslog, at materialet bliver et metal ved højt tryk, og skitserede, hvordan krystallstrukturen og arrangementet af atomer i lagene i dette 2-D-materiale ændres gennem overgangen.

"Den manglende brik er dog forblevet, magnetismen, "sagde Coak." Uden nogen eksperimentelle teknikker, der er i stand til at undersøge magnetismens signaturer i dette materiale ved så højt tryk, vores internationale team måtte udvikle og teste vores egne nye teknikker for at gøre det muligt. "

Forskerne brugte nye teknikker til at måle den magnetiske struktur op til rekordhøjt tryk, ved hjælp af specialdesignede diamantambolte og neutroner til at fungere som magnetismesonden. De var derefter i stand til at følge udviklingen af ​​magnetismen til den metalliske tilstand.

"Til vores overraskelse, vi fandt ud af, at magnetismen overlever og på nogle måder styrkes, "medforfatter Dr. Siddharth Saxena, gruppeleder på Cavendish Laboratory. "Dette er uventet, som de nyligt frit roaming elektroner i et nyligt ledende materiale ikke længere kan låses til deres forælderjernatomer, genererer magnetiske øjeblikke der - medmindre ledningen kommer fra en uventet kilde. "

I deres tidligere papir, forskerne viste, at disse elektroner på en måde var 'frosne'. Men da de fik dem til at flyde eller bevæge sig, de begyndte at interagere mere og mere. Magnetismen overlever, men bliver ændret til nye former, giver anledning til nye kvanteegenskaber i en ny type magnetisk metal.

Hvordan et materiale opfører sig, om det er leder eller isolator, er for det meste baseret på, hvordan elektronerne, eller opkræve, bevæge sig rundt. Imidlertid, elektronernes 'spin' har vist sig at være kilden til magnetisme. Spin får elektroner til at opføre sig lidt som små stangmagneter og pege på en bestemt måde. Magnetisme fra arrangementet af elektronspins bruges i de fleste hukommelsesenheder:udnyttelse og styring af det er vigtigt for at udvikle nye teknologier såsom spintronics, som kunne transformere den måde, computere behandler oplysninger på.

"Kombinationen af ​​de to, ladningen og spinet, er nøglen til, hvordan dette materiale opfører sig, "sagde medforfatter Dr. David Jarvis fra Institut Laue-Langevin, Frankrig, der udførte dette arbejde som grundlag for sin ph.d. studier på Cavendish Laboratory. "At finde denne slags kvantemultifunktionalitet er endnu et spring fremad i studiet af disse materialer."

"Vi ved ikke præcis, hvad der sker på kvanteplan, men samtidig, vi kan manipulere det, "sagde Saxena." Det er ligesom de berømte 'ukendte ubekendte':vi har åbnet en ny dør til egenskaber ved kvanteinformation, men vi ved endnu ikke, hvad disse ejendomme kan være. "

Der er flere potentielle kemiske forbindelser at syntetisere end nogensinde kunne udforskes og karakteriseres fuldt ud. Men ved omhyggeligt at vælge og justere materialer med særlige egenskaber, det er muligt at vise vejen mod oprettelsen af ​​forbindelser og systemer, men uden at skulle lægge store mængder pres.

Derudover at opnå grundlæggende forståelse af fænomener som lavdimensionel magnetisme og superledelse gør det muligt for forskere at tage de næste spring inden for materialevidenskab og teknik, med særlig potentiale inden for energieffektivitet, generation og opbevaring.

Hvad angår magnetisk grafen, forskerne planlægger derefter at fortsætte søgen efter superledning i dette unikke materiale. "Nu hvor vi har en idé om, hvad der sker med dette materiale ved højt tryk, vi kan lave nogle forudsigelser om, hvad der kan ske, hvis vi forsøger at justere dets egenskaber ved at tilføje frie elektroner ved at komprimere det yderligere, "sagde Coak.

"Det, vi jagter, er superledning, "sagde Saxena." Hvis vi kan finde en form for superledning, der er relateret til magnetisme i et todimensionalt materiale, det kunne give os et forsøg på at løse et problem, der er gået årtier tilbage. "