Hvorfor magnetisme i visse materialer er anderledes i atomisk tynde lag og deres bulkformer

Forskere ledet af MIT Institut for Fysik Professor Pablo Jarillo-Herrero viste sidste år, at roterende lag af sekskantet struktureret grafen i en bestemt "magisk vinkel" kunne ændre materialets elektroniske egenskaber fra en isolerende tilstand til en superledende tilstand. Nu har forskere i samme gruppe og deres samarbejdspartnere påvist, at i et andet ultratyndt materiale, der også har en honeycomb-formet atomstruktur - chromtrichlorid (CrCl ₃ )—de kan ændre materialets magnetiske egenskaber ved at flytte lags stablingsrækkefølge.

Forskerne skrællede todimensionelle (2-D) lag af chromtrichlorid væk ved hjælp af tape på samme måde som forskere skræller grafen væk fra grafit. Derefter studerede de 2-D chromtrichlorids magnetiske egenskaber ved hjælp af elektrontunneling. De fandt ud af, at magnetismen er forskellig i 2-D og 3-D krystaller på grund af forskellige stablingsarrangementer mellem atomer i tilstødende lag.

Ved høje temperaturer, hvert chromatom i chromtrichlorid har et magnetisk moment, der svinger som en lille kompasnål. Eksperimenter viser, at når temperaturen falder til under 14 kelvin (-434,47 grader Fahrenheit), dybt i det kryogene temperaturområde, disse magnetiske øjeblikke fryser til et ordnet mønster, peger i modsatte retninger i skiftende lag (antiferromagnetisme). Den magnetiske retning af alle lagene af chromtrichlorid kan justeres ved at påføre et magnetfelt. Men forskerne fandt ud af, at i sin 2-D form, denne justering har brug for en magnetisk kraft, der er 10 gange stærkere end i 3D-krystallen. Resultaterne blev for nylig offentliggjort online i Naturfysik .

"Det, vi ser, er, at det er 10 gange sværere at justere lagene i den tynde grænse sammenlignet med bulken, som vi måler ved hjælp af elektrontunneling i et magnetfelt, " siger MIT fysik kandidatstuderende Dahlia R. Klein, en National Science Foundation kandidatforsker og en af ​​papirets hovedforfattere. Fysikere kalder den energi, der kræves for at justere den magnetiske retning af modstående lag, for interlagens udvekslingsinteraktion. "En anden måde at tænke på er, at interlayer-udvekslingsinteraktionen er, hvor meget de tilstødende lag ønsker at være anti-justeret, " foreslår en anden hovedforfatter og MIT postdoc David MacNeill.

Forskerne tilskriver denne ændring i energi til det lidt anderledes fysiske arrangement af atomerne i 2-D chromchlorid. "Kromatomerne danner en bikagestruktur i hvert lag, så det er dybest set at stable honningkager på forskellige måder, "Klein siger. "Den store ting er, at vi beviser, at de magnetiske og stablingsordrer er meget stærkt forbundet i disse materialer."

"Vores arbejde fremhæver, hvordan de magnetiske egenskaber af 2-D-magneter kan afvige meget fra deres 3-D-modstykker, " siger seniorforfatter Pablo Jarillo-Herrero, Cecil og Ida Grønne professor i fysik. "Det betyder, at vi nu har en ny generation af meget afstembare magnetiske materialer, med vigtige implikationer for både nye fundamentale fysikeksperimenter og potentielle anvendelser inden for spintronik og kvanteinformationsteknologier."

Lag er meget svagt koblet i disse materialer, kendt som van der Waals magneter, hvilket er det, der gør det nemt at fjerne et lag fra 3-D krystallen med klæbende tape. "Ligesom med grafen, bindingerne i lagene er meget stærke, men der er kun meget svage interaktioner mellem tilstødende lag, så du kan isolere få-lags prøver ved hjælp af tape, " siger Klein.

MacNeill og Klein dyrkede chromchloridprøverne, bygget og testet nanoelektroniske enheder, og analyseret deres resultater. Forskerne fandt også ud af, at når chromtrichlorid afkøles fra stuetemperatur til kryogene temperaturer, 3-D krystaller af materialet gennemgår en strukturel overgang, som 2-D krystallerne ikke gør. Denne strukturelle forskel tegner sig for den højere energi, der kræves for at justere magnetismen i 2-D krystallerne.

Forskerne målte stablerækkefølgen af ​​2-D-lag ved brug af Raman-spektroskopi og udviklede en matematisk model til at forklare den energi, der er involveret i at ændre den magnetiske retning. Medforfatter og Harvard University postdoc Daniel T. Larson siger, at han analyserede et plot af Raman-data, der viste variationer i topplacering med rotationen af ​​chromtrichloridprøven, at bestemme, at variationen var forårsaget af lagenes stablingsmønster. "Ved at udnytte denne forbindelse, Dahlia og David har været i stand til at bruge Raman-spektroskopi til at lære detaljer om krystalstrukturen af ​​deres enheder, som ellers ville være meget svære at måle, " Larson forklarer. "Jeg tror, ​​at denne teknik vil være en meget nyttig tilføjelse til værktøjskassen til at studere ultratynde strukturer og enheder." Institut for Materialevidenskab og Ingeniør-studerende Qian Song udførte Raman-spektroskopi-eksperimenterne i laboratoriet hos MIT-assistenten. professor i fysik Riccardo Comin. Begge er også medforfattere til papiret.

"Denne forskning fremhæver virkelig vigtigheden af ​​at stable orden for at forstå, hvordan disse van der Waals-magneter opfører sig i den tynde grænse, " siger Klein.

MacNeill tilføjer, "Spørgsmålet om, hvorfor 2-D-krystallerne har forskellige magnetiske egenskaber, havde undret os i lang tid. Vi var meget spændte på endelig at forstå, hvorfor dette sker, og det er på grund af den strukturelle overgang."

Dette arbejde bygger på to års tidligere forskning i 2-D magneter, hvor Jarillo-Herreros gruppe samarbejdede med forskere ved University of Washington, ledet af professor Xiaodong Xu, der har fælles ansættelser i afdelingerne for Materialevidenskab og Engineering, Fysik, og elektro- og computerteknik, og andre. Deres arbejde, som blev offentliggjort i en Natur brev i juni 2017, viste for første gang, at et andet materiale med en lignende krystalstruktur - chromtriiodid (CrI ₃ ) – opførte sig også anderledes i 2D-formen end i bulk, med få-lags prøver, der viser antiferromagnetisme i modsætning til de ferromagnetiske 3-D krystaller.

Jarillo-Herreros gruppe fortsatte med at vise i maj 2018 Videnskab papir, at chromtriiodid udviste en skarp ændring i elektrisk modstand som reaktion på et påført magnetfelt ved lav temperatur. Dette arbejde viste, at elektrontunneling er en nyttig sonde til at studere magnetisme af 2-D krystaller. Klein og MacNeill var også de første forfattere til dette papir.

Professor Xiaodong Xu ved University of Washington siger om de seneste resultater, "Værket præsenterer en meget smart tilgang, nemlig de kombinerede tunnelmålinger med polarisering løste Raman-spektroskopi. Førstnævnte er følsom over for mellemlaget antiferromagnetisme, mens sidstnævnte er en følsom sonde for krystalsymmetri. Denne tilgang giver en ny metode til at give andre i samfundet mulighed for at afdække de magnetiske egenskaber ved lagdelte magneter."

"Dette værk er i overensstemmelse med flere andre nyligt udgivne værker, " siger Xu. "Sammen, disse værker afslører den unikke mulighed, som de lagdelte van der Waals-magneter giver, nemlig ingeniørmagnetisk rækkefølge via kontrollerende stablingsrækkefølge. Det er nyttigt til vilkårlig skabelse af nye magnetiske tilstande, såvel som til potentiel anvendelse i rekonfigurerbare magnetiske enheder."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.