Første eksperimentelle bevis på en 70 år gammel fysikteori

PARK Je-Geun, Associate Director ved Center for Correlated Electron Systems og samarbejdspartnere har demonstreret den magnetiske opførsel af en særlig klasse af 2-D materialer. Dette er det første eksperimentelle bevis på en teori, der blev foreslået for mere end 70 år siden. Papiret, beskriver eksperimentet, er publiceret i tidsskriftet Nano bogstaver .

For nylig, forskere over hele verden undersøger egenskaber og anvendelser af ekstremt tynde 2-D materialer, kun et atom tykt, som grafen. At studere egenskaberne af 2-D materialer i sammenligning med deres 3-D modstykker rejser mange tankevækkende spørgsmål; en af ​​dem vedrører magnetiske faseovergange.

Nogle materialer er magnetiske på grund af opførselen af ​​deres elektroners spins. Enkelt sagt, spins (spin kvantetal, eller mere præcist deres tilknyttede magnetiske momenter), er ligesom små magneter, konventionelt vist som pile. Ved ekstremt lave temperaturer, disse spins har en tendens til at justere, sænker elektronernes samlede energi. Imidlertid, over en bestemt temperatur, der varierer fra materiale til materiale, spins mister deres justering og bliver tilfældigt orienteret. Svarende til hvordan is mister sin indre orden og bliver flydende over en vis temperatur; 3-D magneter mister også deres magnetisering over en kritisk temperatur. Dette kaldes faseovergang og er en altid tilstedeværende proces i 3D-objekter.

Imidlertid, hvad sker der med 1D- og 2-D-systemer ved lave temperaturer? Oplever de en faseovergang? Med andre ord, kommer vi til at se en overgang fra fast til flydende i en kæde af vandmolekyler (1D) eller i en et-atom tyk plade af vand (2-D)?

For omkring et århundrede siden, fysikeren Wilhelm Lenz bad sin elev Ernst Ising om at løse dette problem for 1D-systemer. Ising forklarede det i 1925 og konkluderede, at 1D-materialer ikke har faseovergange. Derefter, Ising forsøgte at kæmpe med det samme spørgsmål for en bestemt type 2-D materialer. Problemet viste sig at være meget sværere. Løsningen kom i 1943 takket være Lars Onsager, som modtog Nobelprisen i kemi i 1968. Ja, Onsager konstaterede, at materialerne, som følger Ising-spin-modellen, have en faseovergang. Imidlertid, på trods af den enorme betydning denne teori har i den følgende udvikling af hele fysikken i faseovergange, det er aldrig blevet testet eksperimentelt med et ægte magnetisk materiale. "Fysikken i 2-D-systemer er unik og spændende. Onsager-løsningen undervises på ethvert avanceret statistisk mekanikkursus. Det var der, jeg lærte dette problem. Men, da jeg meget senere opdagede, at det ikke er blevet testet eksperimentelt med et magnetisk materiale, Jeg syntes, det var en skam for eksperimenter som mig, så det var naturligt for mig at lede efter et rigtigt materiale til at teste det, " forklarer PARK Je-Geun.

For at bevise Onsager-modellen, forskerholdet producerede krystaller af jerntrithiohypophosphat (FePS3) med en teknik kaldet kemisk damptransport. Krystallerne er lavet af lag bundet af svage interaktioner, kendt som Van der Waals interaktioner. Lag kan pilles af krystallen ved at bruge scotch tape, på samme måde kan tape fjerne maling fra en væg. Forskerne skrællede lagene, indtil de kun havde et lag FePS3 (2-D). "Vi kan kalde disse materialer magnetiske Van der Waals-materialer eller magnetisk grafen:de er magnetiske, og de har Van der Waals-bindinger, der er let at spalte mellem lagene. De er meget sjældne, og deres fysik er stadig uudforsket, " siger professoren.

Mens der er flere metoder til at måle de magnetiske egenskaber af bulk 3-D materialer, disse teknikker har ingen praktisk nytte til at måle magnetiske signaler, der kommer fra monolagsmaterialer. Derfor, holdet brugte Raman-spektroskopi, en teknik, der normalt bruges til at måle vibrationer inde i materialet. De brugte vibrationer som et indirekte mål for magnetisme, jo flere vibrationer, jo mindre magnetisering.

Parks team og kolleger brugte først Raman-spektroskopi på bulk 3-D FePS3-materiale ved forskellige temperaturer og testede derefter FePS3 2-D monolag. "Testen med bulkprøven viste os, at Raman-signalerne kan bruges som en slags fingeraftryk for faseovergang ved temperaturer omkring 118 Kelvin, eller minus 155 grader celsius. Med denne bekræftelse målte vi så monolagsprøven og fandt de samme mønstre, " påpeger Park. "Vi konkluderer, at 3-D og 2-D FePS3 har den samme signatur af faseovergangen, der er synlig i Raman-spektret." Både i bulkprøven og monolaget, FePS3' spins bestilles (antiferromagnetisk) ved meget lave temperaturer, og bliver forstyrret (paramagnetisk) over 118 grader Kelvin. "At vise magnetisk faseovergang med dette tour-de-force eksperiment er en smuk test for Onsager-løsningen, " konkluderer fysikeren.

I fremtiden, holdet vil gerne studere andre 2-D overgangsmetalmaterialer, går ud over 2-D Ising-spin-modellen.