Fleksibel, flade og funktionelle magneter

I nanoverdenen, magnetisme har vist sig at være virkelig overraskende. Magnetiske 2-D-materialer, der kun er få atomer tykke, kunne udgøre et substrat for stadigt mindre post-siliciumelektronik. Et internationalt forskerhold ledet af Park Je-Geun ved Center for Correlated Electron Systems, inden for Institut for Grundvidenskab (IBS), har netop udgivet et Perspective Review-papir i Natur præsentation af de seneste resultater og fremtidigt potentiale for 2-D magnetiske van der Waals (vdW) materialer, som var ukendte indtil for seks år siden og for nylig har tiltrukket sig verdensomspændende opmærksomhed.

VdW-materialer er lavet af bunker af ultratynde lag, der holdes sammen af ​​svage van der Waals-bindinger. Succesen med grafen - vdW's stjernemateriale - stimulerede videnskabsmænd til at lede efter andre 2-D krystaller med lag, der kan ændres, tilføjet eller fjernet for at introducere nye fysiske egenskaber, som magnetisme.

Hvordan bliver materialer magnetiske?

Hver elektron i et materiale fungerer som et lille kompas med sin egen nord- og sydpol. Orienteringen af ​​disse "kompasnåle" bestemmer magnetiseringen. Mere specifikt, magnetisering opstår fra elektronernes spin (magnetisk moment) og afhænger af temperaturen. En ferromagnet, som en standard køleskabsmagnet, får sine magnetiske egenskaber under den magnetiske overgangstemperatur - Curie-temperatur (Tc). Når alle magnetiske momenter er justeret, alle "kompasnåle" peger i samme retning. Derimod andre materialer er antiferromagnetiske, hvilket betyder, at under overgangstemperaturen - kaldet Neel-temperaturen (TN) - peger "kompasnålene" i den modsatte retning. For temperaturer over Tc eller TN, de individuelle atommomenter er ikke afstemt, og materialerne mister deres magnetiske egenskaber.

Imidlertid, situationen kan ændre sig dramatisk ved at reducere materialer til 2-D nanometerskalaen. En ultratynd skive af en køleskabsmagnet vil sandsynligvis vise forskellige funktioner fra hele objektet. Dette skyldes, at 2-D materialer er mere følsomme over for temperaturudsving, som kan ødelægge mønsteret af velafstemte "kompasnåle". For eksempel, konventionelle bulkmagneter, såsom jern og nikkel, har en meget lavere Tc i 2-D end i 3-D. I andre tilfælde, magnetismen i 2-D afhænger virkelig af tykkelsen:Chromtriiodid (CrI3) er ferromagnetisk som monolag, anti-ferromagnetisk som dobbeltlag, og igen ferromagnetisk som trelag. Imidlertid, der er andre eksempler, som jerntrithiohypophosphat (FePS3), som bemærkelsesværdigt nok holder sin antiferromagnetiske orden intakt helt ned til monolag.

Nøglen til at producere 2-D magnetiske materialer er at tæmme deres spin-udsving. Todimensionelle materialer med en foretrukken spin-retning (magnetisk anisotropi) er mere tilbøjelige til at være magnetiske. Anisotropi kan også indføres kunstigt ved at tilføje defekter, magnetiske dopingmidler eller ved at lege med samspillet mellem elektronens spin og det magnetiske felt, der genereres af elektronens bevægelse rundt i kernen. Imidlertid, disse er alle teknisk udfordrende metoder.

Park forklarer det med en analogi:"Det er som at overvåge en gruppe rastløse og dårligt opførte børn, hvor hvert barn repræsenterer et atomkompas. Du vil stille dem op, men de vil hellere lege. Det er en svær opgave, som enhver børnehavelærer ville fortælle dig. Du skal præcist kende hver af dems bevægelser i tid og rum. Og for at kontrollere dem, du skal svare lige der og da, hvilket er teknisk meget svært."

Flere grundlæggende spørgsmål kan besvares takket være 2-D magnetiske vdW materialer. I særdeleshed, vdW materialer er et testbed for at finde eksperimentelt bevis for nogle matematisk-fysiske modeller, der stadig er uløste. Disse modeller forklarer den magnetiske overgangsadfærd i forhold til spin. I særdeleshed, Ising-modellen beskriver spins ("kompasnåle"), der er begrænset til at pege enten op eller ned, vinkelret på planet. XY-modellen tillader spin at pege i enhver retning på flyet, og endelig, i Heisenberg-modellen, spins er gratis at pege i ethvert x, y, z retning.

I 2016 IBS-forskere fra Prof. Parks gruppe fandt det første eksperimentelle bevis på Onsager-løsningen til Ising-modellen. De fandt ud af, at FePS3's Tc er 118 Kelvin, eller minus 155 grader celsius, i både 3D og 2D. Imidlertid, XY- og Heisenberg-modellerne i 2-D er stødt på flere eksperimentelle barrierer, og mangler stadig et bevis efter 50 år.

"Opdagelsen af ​​grafen fik mig til at spekulere på, om jeg kunne introducere magnetisme til 2-D materialer, der ligner grafen, " forklarer Park. "Fysikere har arvet udfordringen med at studere og forklare de fysiske egenskaber ved den todimensionelle verden. På trods af dens akademiske betydning og anvendelighed, dette felt er meget underudforsket, " tilføjer han.

Forskere er også ivrige efter at udforske måder at kontrollere og manipulere disse materialers magnetiske egenskaber elektrisk, optisk og mekanisk. Deres tyndhed gør dem mere modtagelige for ydre stimuli. Det er en begrænsning, men kan også være et potentiale. For eksempel, magnetisme kan også induceres eller indstilles af belastning, eller ved at arrangere de overlappende lag i et bestemt mønster, kendt som moiré-mønsteret.

Forventede anvendelser af magnetiske vdW-materialer

Selvom flere grundlæggende spørgsmål stadig venter på svar, styring og ændring af elektronernes spins og magnetiske strukturer forventes at føre til flere ønskelige output. Det her Natur Perspective Review lister mulige forskningsretninger for fremtiden.

En af de mest efterspurgte applikationer er brugen af ​​spin til at gemme og kode information. Kontrollerede spins kan erstatte nuværende harddiskplader, og endda blive nøglen til kvanteberegning. I særdeleshed, spintronics har til formål at kontrollere elektronspin. Todimensionelle materialer er gode kandidater, da de ville kræve mindre strømforbrug sammenlignet med deres 3-D modstykker. En interessant hypotese er at lagre langtidshukommelsen i orienterede magnetiske polmønstre kaldet skyrmioner i magnetiske materialer.

Potentielt, vdW-materialer kunne afsløre en eksotisk tilstand af stof, som kvantespinvæsker, en hypotetisk stoftilstand karakteriseret ved uordnede "kompasnåle" selv ved ekstremt lave temperaturer, og forventes at huse de undvigende Majorana-fermioner, partikler, der er blevet teoretiseret, men aldrig observeret.

Ud over, selvom superledning og magnetisme ikke let kan rummes i det samme materiale, at pille ved spins ordre kunne producere nye, ukonventionelle superledere.

Til sidst, selvom listen over vdW-materialer er vokset meget hurtigt i de senere år, mindre end 10 magnetiske vdW-materialer er blevet opdaget indtil videre. Engineering flere materialer, især materialer, der kan bruges ved stuetemperatur, er også et vigtigt mål for fysikere af kondenseret stof.