Forskere udvikler metode til at sondere faseovergange i 2-D materialer

Faseovergange spiller en vigtig rolle i materialer. Imidlertid, i todimensionelle materialer, den mest berømte af dem er grafen, faseovergange kan være meget vanskelige at studere. Forskere fra Delft University of Technology og University of Valencia har udviklet en ny metode, der hjælper med at løse dette problem. De suspenderede ultratynde lag af 2-D-materialer over et hulrum og sporede resonansfrekvensen af ​​de resulterende membraner ved hjælp af lasere. Resultaterne af deres arbejde er blevet offentliggjort i Naturkommunikation .

Siden opdagelsen af ​​de usædvanlige elektriske og mekaniske egenskaber ved grafen-det første nogensinde todimensionale (2-D) materiale-tiltrækker lag med tykkelser ned til et enkelt atom videnskabelig interesse. Nye funktionaliteter og fænomener dukker op med de nylige opdagelser af unikke typer magnetiske og elektroniske faser i disse lag, inklusive superledning, ladningstæthedsbølger, 2-D Viser antiferromagnetiske og ferromagnetiske faser. Faseovergange spiller en vigtig rolle i materialer:for eksempel er vand en væske ved stuetemperatur og fryser til under nul celsius, danner et materiale med helt andre egenskaber.

Resonansbevægelse

I store prøver, der er flere teknikker til at måle disse faseovergang, for eksempel ved at måle den specifikke varme, som kan vise bratte ændringer ved faseovergangen. Imidlertid, kun få metoder er tilgængelige til at studere disse overgange i atomisk tynde prøver med en masse på mindre end et pikogram. Dette er især udfordrende for ultratynde isolerende antiferromagneter, som kun svagt kobles til magnetiske og elektroniske sonder.

Forskere ved Delft University of Technology har nu vist, at disse faser kan studeres ved at se på resonansbevægelsen af ​​membraner lavet af disse 2-D materialer. Disse membraner kan dannes ved at suspendere en ultratynd krystal over et hulrum i et substrat, derved skabes en nanoskala tromle. "Vi sporer den mekaniske resonansfrekvens af disse membraner ved hjælp af en rød laser, mens vi bringer dem i bevægelse ved MHz-frekvenser med en effektmoduleret blå laser", forklarer forsker Makars Šiškins

Pludselig udvidelse

Da forskerne nedkølede membraner af FePS ₃ , NiPS ₃ og MnPS ₃ , de observerede en pludselig ændring i deres resonansfrekvens. Šiškins:"Interessant nok, denne ændring falder sammen med den temperatur, ved hvilken disse materialer bestiller deres magnetiske spins antiferromagnetisk." Korrelationen mellem ændringen i resonansfrekvens og den magnetiske orden ved faseovergangstemperaturen er en konsekvens af den pludselige ekspansion, der opstår, når den magnetiske forstyrrelse øges, ligner faseovergangen fra væske til gas. Denne udvidelse får den mekaniske spænding i membranen til at falde, hvilket resulterer i en reduktion i resonansfrekvens, som i en guitarstreng.

Det nye målekoncept er anvendeligt til en bred vifte af tynde membransystemer med forskellige faseovergange, som forskerne demonstrerer ved at observere ladningstæthedsbølgeorden i TaS ₂ . "Af denne grund, vi mener, at vores koncept har potentialet til at blive anvendt til at studere en lang række materialer:2-D ferromagneter, tynde 2-D komplekse oxidplader og organiske antiferromagneter ", siger Šiškins. "Vi forventer, at dette vil føre til en bedre forståelse af termodynamik og bestillingsmekanismer i todimensionelle materialer."