Inkorporerer ferromagnetisme og superledning i et enkelt lag af molekylært supergitter

NUS-forskere har demonstreret en interlayer-space-confined chemical design (ICCD) metode til syntese af enkeltatom-doteret tantaldisulfid (TaS) ₂ ) molekylært supergitter, hvor ferromagnetisme med succes blev introduceret i det superledende TaS ₂ lag.

Samspillet mellem superledning og ferromagnetisme skaber adskillige eksotiske fysiske fænomener, som kan udnyttes til næste generation af enhedsapplikationer. Integrationen af ​​disse to konkurrerende faser opnås sædvanligvis ved vertikalt at stable superleder- og ferromagnetiske lag efter hinanden. Kontrollerbar syntese af hybride atomlag, der rummer både superledning og ferromagnetisme, er fortsat en betydelig udfordring.

Et forskerhold ledet af professor Lu Jiong fra Institut for Kemi, NUS har vist, at inkorporeringen af ​​isolerede kobolt (Co) atomer i superledende TaS ₂ lag kan inducere lokale magnetiske momenter og ferromagnetisk kobling. Dette skaber et materiale med ferromagnetiske og superledende domæner inden for et enkelt atomlag. I sammenligning med konventionelle vertikalt stablede strukturer, at integrere disse to konkurrerende faser i et enkelt lag giver ikke kun forbedret fleksibilitet i enhedsdesign og fremstilling, det åbner også op for nye potentielle applikationer.

Prof Lus team udviklede denne nye tilgang, kaldet ICCD, til samtidig interkalation og kemisk modifikation af bulk 2H-TaS ₂ , hvor ferromagnetisme indføres i TaS ₂ materiale, mens dets superledningsegenskaber bevares (figur A). Indsættelse af tetrabutylammoniummolekyler i rummet mellem lagene af TaS ₂ åbner mellemrummet mellem dem og tillader Co ²⁺ ioner, der skal integreres i strukturen. Forskerne fandt ud af, at Co ²⁺ ioner erstattede enten tantal (Ta)-atomet eller blev adsorberet på et hult sted (mellem to Ta-atomer) (figur B). Denne ICCD-strategi kan potentielt anvendes på forskellige metalioner, muliggør en alsidig og skalerbar syntese af en klasse af molekylære supergitter med skræddersyede egenskaber via mellemlagsmodifikation.

Holdets eksperimentelle resultater, sammen med teoretiske beregninger udført af Prof Yuanping FENGs gruppe fra Institut for Fysik, NUS viser, at orbital-udvalgte s - d hybridisering mellem Co og deres tilstødende Ta- og S-atomer inducerer lokale magnetiske momenter og ferromagnetisk kobling (figur C), formentlig medieret gennem en mekanisme kendt som Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida-udvekslingsinteraktionen.

Prof Lu sagde, "Vi forestiller os, at vores resultater af det begrænsede kemiske design mellem lag og rum vil give en ny kemisk vej til at konstruere kunstigt molekylært supergitter af lagdelte materialer med eksotiske og antagonistiske egenskaber for ønskede funktionaliteter."