En spin-bølge-detektivhistorie:Forskere bekræfter overraskende adfærd i en 2-D-magnet

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har opdaget en overraskende funktion i todimensionelle (2-D) magneter, en ny klasse materialer får stor opmærksomhed. Deres fund er den første verifikation af, at et signal, der længe har været antaget at skyldes vibrationer i gitteret - selve materialets struktur - faktisk skyldes en bølge af elektronspin.

Nogle materialer er sammensat af lag, der interagerer meget svagt, som gør det muligt for forskere at trække fra hinanden eller isolere individuelle lag og få adgang til atomisk tynde (i størrelsesordenen nogle få nanometer), 2-D ark. For eksempel, grafen var det første 2-D materiale isoleret fra grafit. Jo mere videnskabsmænd lærer om disse 2D-materialer, jo tættere de er på at realisere potentielle applikationer, især inden for næste generations elektronik og endda kvanteinformation.

NIST-holdet offentliggjorde deres resultater i dag i Fysisk gennemgang B .

Transistorer er byggestenene i al moderne elektronik, hvor information gemmes og overføres via elektroners bevægelse. Strømmen af ​​disse elektroner resulterer i generering af en betydelig mængde opvarmning, derfor bliver bærbare computere varme ved længere tids brug.

Et udsigt til at løse dette varmeproblem er at bruge bølger af spins, kaldet magnoner, som informationsbærer i enheder i stedet for at bevæge elektroner. Fremtidens teknologi baseret på magnoner, eller "magnonics, "ville så ideelt set fungere med lidt eller ingen opvarmning.

NIST-arbejdet lægger grundlaget for fremtidige applikationer ved at etablere en måleteknik til at studere magnons fundamentale fysik. NIST-teamet siger, at 2-D-enhedsingeniører vil være særligt begejstrede for den høje frekvens, hvor magnonen observeres. Dette er vigtigt for at bestemme omskiftningshastigheden i potentielle magnon-baserede enheder (f.eks. enheder, der fungerer i THz snarere end i GHz-området).

En unik tilgang

Studiet af 2D-materialer har blomstret ind i sin egen gren af ​​kondenseret stoffysik, selvom det første 2D-materiale, grafen, blev først isoleret i 2004, sagde NIST-projektleder Angela Hight Walker. Disse materialer kaldes 2-D, fordi mens de kan være mikrometer brede, de er ekstremt tynde - tynde som et enkelt atom eller 100, 000 gange mindre end et menneskehår. Deres nanometer-tykkelse muliggør mere tilpasning end 3D-materialer, hvor der kan ses dramatiske forskelle selv mellem et og to lag af samme materiale.

"En af de spændende ting ved at undersøge disse 2-D-materialer er, at der er så mange forskellige måder at justere dem på, "eller kontrollere deres adfærd, sagde NIST-fysiker Amber McCreary. "For eksempel, fordi de er så fysisk fleksible, forskere kan anvende store mængder belastning for at ændre deres egenskaber, som er en afstemningsmekanisme, du ikke ville have i en tykkere, mere stift materiale."

Brug af 2D-materialer giver også forskere mulighed for at skabe heterostrukturer - sandwich af tynde materialer stablet oven på hinanden lag for lag. Interaktioner mellem de forskellige lag skaber også tilpasselig adfærd, for eksempel at få grafen til at blive superledende, når lagene roteres med en "magisk vinkel" i forhold til hinanden.

Men indtil for nylig, ingen troede, at lagdelte materialer kunne være magnetiske, når du reducerer deres størrelse ned til 2-D-grænsen. Derefter, for bare et par år siden, det blev opdaget, at nogle af dem kunne, faktisk, holde deres magnetiske adfærd i et enkelt lag, og feltet "eksploderede af interesse, " sagde McCreary.

I kølvandet på dette gennembrud, Hight Walker og McCreary så straks potentialet i at undersøge nogle af disse 2-D magnetiske materialer ved hjælp af deres unikke Raman-spektroskopisystem.

Raman-spektroskopi er en teknik, der sonderer en prøve med laserlys og derefter måler, hvordan dette lys spredes af prøven, afsløre information om et 2D-materiale, såsom dets struktur, defekter, doping, antal lag og kobling mellem lagene, og mere. Forskere visualiserer de data, de indsamler, som et spektrum, en grafisk repræsentation af alle de frekvenser, der måles. Et typisk spektrum ville have toppe, der repræsenterer et stærkt signal ved visse lysfrekvenser.

Ud over alle mulighederne ved konventionel Raman-spektroskopi, det specialdesignede system på NIST tilføjer muligheden for samtidig at spore det spredte lys som en funktion af både temperatur (ned til 1,6 K) og magnetfelt (op til 9 Tesla).

NIST-forskerne valgte at udforske 2-D-magneten FePS3, fordi dens Raman-spektre ændrer sig dramatisk, når den bliver magnetisk ved lave temperaturer. Ved omkring 120 K (ca. -240 grader F), spindene fra hvert Fe-atom foretrækker at rette sig modsat deres nabo; denne konfiguration kaldes antiferromagnetisk, i modsætning til ferromagnetisk, hvor alle spins flugter i samme retning.

Mens de udførte deres eksperimenter, de fandt ud af, at en af ​​toppene i deres Raman -spektre opførte sig uventet.

En detektivhistorie:Magnon eller Phonon?

Kernen i dette arbejde kræver, at man forstår forskellen mellem to slags kollektive excitationer, fononer og magnoner.

Fononer er kvantificerede gittervibrationer i et materiale, hvor ordet kvantiseret bruges til at betyde, at kun visse frekvenser af vibrationer er tilladt. I denne animation, du kan se, hvordan denne vibration forplanter sig gennem strukturen af ​​en endimensionel (1D) kæde af atomer, med nogle atomer, der kommer tættere på hinanden, så længere væk, når materialet vibrerer.

Magnons, på den anden side, involverer ikke bevægelse af atomerne selv. I stedet, magnoner involverer ændringer i en kvanteegenskab af elektroner i atomerne kaldet spin, den funktion, der gør magneter magnetiske. Hvis du tænker på hvert atom som værende et kompas, så er spin (metaforisk) kompassets nål. I denne metafor, imidlertid, spindet kan pege både mod nord (op) og syd (ned). Animationen nedenfor viser en tegneserie af en magnon, hvilket kan ske, når spindene forstyrres af laserlyset. Du kan se, hvordan pilene har en rislende bevægelse, der er analog med spins i et magnetisk materiale i denne prøve 1D-kæde. Denne excitation af spins kaldes en spin-bølge.

Når du måler Raman-spektret af magnetiske materialer, både fononer og magnoner kan dukke op som individuelle toppe, der ikke kan skelnes i starten. Det kræver avancerede efterforskningsteknikker, herunder at studere funktionerne, mens de samtidig sporer deres reaktion på temperatur og magnetfelt, for virkelig at skelne de to. Tidligere, forskersamfundet havde identificeret en bestemt top i Raman-spektret af FePS3 som et fonon. Men ved at ændre temperaturen og magnetfeltstyrken, NIST-holdet opdagede to mærkelige adfærd.

Først, the frequency change of the peak was larger than expected as a function of temperature. And then when they applied a larger and larger magnetic field, the feature they were tracking surprisingly splits into two peaks.

Neither of these behaviors are expected from a phonon. But they are classic magnon behavior.

"Our study is the first to confirm the presence of a magnon in a 2-D magnet, and our unique experimental capabilities made it possible, " said Thuc Mai, a National Research Council postdoctoral fellow and paper co-author.

Where Do We Go From Here

One of the main takeaways of this work is that other researchers should consider magneto-Raman spectroscopy as a key measurement technique to probe 2-D magnets and other quantum materials, Hight Walker said.

"We know of at least three labs that are adopting similar configurations after hearing us present the details of our unique capabilities, " Hight Walker said. "So it is exciting that people are seeing the promise."

"NIST was the first to leverage our magneto-optical cryostat with such advanced Raman spectroscopy, " said Balázs Sipos, head of customer success at Attocube, a company that develops, produces, and distributes components and systems for nanoscale applications. "We have seen several more labs interested in duplicating their set up to achieve these unique types of measurements."

As new information about these new materials is unraveled, more applications will be realized. Lige nu, the 2-D magnets are so new that scientists are still diving into the underlying physics. But computing systems based on magnetism instead of electronics could be a potential high-risk, high reward outcome.

"We're doing the groundwork in understanding how optics can be used to study these materials that have been called out as relevant quantum materials for investigation, " Hight Walker said. "As we're beginning to demonstrate, this technique is going to be key for quantum materials metrology."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.