Fysikere finder magnons oprindelse i 2D-magnet

Risfysikere har bekræftet den topologiske oprindelse af magnoner, magnetiske træk, de opdagede for tre år siden i et 2D-materiale, der kunne vise sig at være nyttigt til at indkode information i elektronernes spins.

Opdagelsen, beskrevet i en undersøgelse offentliggjort online i denne uge i tidsskriftet American Physical Society Fysisk gennemgang X , giver en ny forståelse af topologi-drevne spin-excitationer i materialer kendt som 2D van der Waals-magneter. Materialerne er af stigende interesse for spintronics, en bevægelse i solid-state elektroniksamfundet mod teknologier, der bruger elektronspin til at kode information til beregning, opbevaring og kommunikation.

Spin er et iboende træk ved kvanteobjekter, og elektronernes spins spiller en nøglerolle i at skabe magnetisme.

Risfysiker Pengcheng Dai, medkorresponderende forfatter til Fysisk gennemgang X undersøgelse, nævnte uelastiske neutronspredningsforsøg på 2D-materialet chromtriiod bekræftede oprindelsen af ​​den topologiske natur af spin-excitationer, kaldet magnons, som hans gruppe og andre opdagede i materialet i 2018.

Gruppens seneste eksperimenter ved Oak Ridge National Laboratory's (ORNL) Spallation Neutron Source viste, at "spin-kredsløbskobling inducerer asymmetriske interaktioner mellem spins" af elektroner i chromtriiod, sagde Dai. "Som resultat, elektronspindene mærker magnetfeltet af bevægelige kerner anderledes, og dette påvirker deres topologiske excitationer."

I van der Waals materialer, atomisk tynde 2D-lag stables som sider i en bog. Atomerne i lagene er tæt bundet, men bindingerne mellem lagene er svage. Materialerne er nyttige til at udforske usædvanlig elektronisk og magnetisk adfærd. For eksempel, et enkelt 2D-ark af chromtriiod har den samme slags magnetiske orden, som får magnetiske mærkater til at klæbe til et metalkøleskab. Stabler af tre eller flere 2D-lag har også den magnetiske rækkefølge, som fysikken kalder ferromagnetisk. Men to stablede plader af chromtriiod har en modsat rækkefølge kaldet antiferromagnetisk.

Den mærkelige adfærd fik Dai og kolleger til at studere materialet. Ris kandidatstuderende Lebing Chen, denne uges hovedforfatter Fysisk gennemgang X undersøgelse og af 2018-undersøgelsen i samme tidsskrift, udviklet metoder til fremstilling og justering af plader af chromtriiodid til eksperimenter på ORNL. Ved at bombardere disse prøver med neutroner og måle de resulterende spin-excitationer med neutron-time-of-flight-spektrometri, Chen, Dai og kolleger kan skelne ukendte træk og adfærd i materialet.

I deres tidligere undersøgelse, forskerne viste, at chromtriiod laver sit eget magnetfelt takket være magnoner, der bevæger sig så hurtigt, at det føles, som om de bevæger sig uden modstand. Dai sagde, at den seneste undersøgelse forklarer, hvorfor en stak af to 2-D lag af chromtriiodid har antiferromagnetisk orden.

"Vi fandt beviser for en stablingsafhængig magnetisk orden i materialet, " sagde Dai. At opdage oprindelsen og nøglefunktionerne i staten er vigtigt, fordi det kunne eksistere i andre 2D van der Waals-magneter.

Yderligere medforfattere inkluderer Bin Gao fra Rice, Jae-Ho Chung fra Korea University, Matthew Stone, Alexander Kolesnikov, Barry Winn, Ovidiu Garlea og Douglas Abernathy fra ORNL, og Mathias Augustin og Elton Santos fra University of Edinburgh.