Forskning viser, hvordan små mængder stamme kan bruges til at kontrollere et materiales egenskaber

Ny forskning i en atomisk tynd halvleder viser, hvordan et materiales magnetisme kan kontrolleres ved hjælp af små mængder belastning. Udgivet i Natur nanoteknologi , denne undersøgelse giver nøgleindsigt til applikationer lige fra nye spintronic-enheder til hurtigere harddiske. Denne forskning blev udført af kandidatstuderende Zhuoliang Ni og ledet af adjunkt Liang Wu i samarbejde med Penns Charlie Kane og Eugene Mele, samt forskere fra University of Tennessee, Knoxville, Texas A&M University, universitetet i Fribourg, og Oak Ridge National Laboratory.

Wus laboratorium er primært fokuseret på eksperimenter med topologiske materialer. Men, med nyere undersøgelser af de fotogalvaniske virkninger af to metallegeringer og opdagelsen af ​​eksotiske partikler i koboltmonosilicid, laboratoriets seneste papir om manganphosphortriselenid (MnPSe3), et halvledende materiale, dykker ned i begreber omkring symmetri, et fysisk eller matematisk træk ved et system, der ikke ændrer sig, når det udsættes for visse transformationer. Symmetri er en nøgleide i fysik, fra bevarelseslovene til partiklernes opførsel, og er central i forståelsen af ​​materialer, der har kontrollerbare, eller omskiftelig, magnetiske tilstande såsom MnPSe3.

Der findes forskellige typer magneter. For materialer, der er ferromagnetiske, elektroner spinder alle i samme retning og gennemsyrer materialet med spontan magnetisme, der gør det muligt for dem at klæbe til visse typer metaller. I modsætning, antiferromagnetiske materialer, ligesom MnPSe3, har et mønster med lige mange elektroner med op og ned spin i et antiparallelt arrangement. Dette annullerer deres overordnede magnetiske øjeblikke, hvilket betyder, at de ikke har et eksternt strejffelt som ferromagnetiske materialer; imidlertid, de har stadig elektroner med varierende spin orientering.

Eksisterende harddiske er afhængige af ferromagnetiske materialer, hvor ændringer i retningerne af elektronens spin repræsenterer bits, eller nuller og etaller, der udgør hukommelsen, men der er interesse for at udvikle hukommelsesenheder fra antiferromagnetiske materialer. For eksempel, informationen lagret i ferromagnetiske enheder kan gå tabt, hvis der er et andet magnetfelt til stede. Disse enheder er også begrænset i, hvor hurtigt de kan fungere, efter den tid det tager at ændre lidt manuelt, i nanosekundområdet. Antiferromagnetiske materialer, på den anden side, er i stand til at skifte deres spin-retning meget hurtigere, i picosekundersområdet, og er også meget mindre følsomme over for eksterne magnetiske felter.

Men selvom antiferromagnetiske materialer har nogle fordele, arbejde med denne type materiale, især en, der er todimensionel, er teknisk udfordrende, siger Wu. For at studere dette materiale, Ni og Wu måtte først udvikle en måde at måle minutsignaler på uden at levere for meget strøm, der ville beskadige det atomisk tynde materiale. "Ved at bruge en fotontæller, vi var i stand til at sænke støjen, " siger Wu. "Det er det tekniske gennembrud, der gjorde os i stand til at detektere antiferromagnetismen i monolaget."

Ved at bruge deres nye billedbehandlingsmetode, fandt forskerne ud af, at de kunne "skifte" materialet til at være i en antiferromagnetisk fase ved lave temperaturer. De fandt også ud af, at materialet havde færre tilstande, beslægtet med de bits, der bruges i computerens hukommelse, end forventet. Forskerne observerede kun to tilstande, selvom, baseret på dens rotationssymmetri, det blev forudsagt at have seks stater.

Wu henvendte sig til Kane og Mele for at komme med en teori, der kunne hjælpe med at forklare disse uventede resultater, og gennem dette samarbejde indså den betydelige indvirkning, som lateral belastning, såsom strækning eller klipning, kunne have på sin symmetri. "En perfekt prøve har tredobbelt rotationssymmetri, men hvis noget trækker i det, er det ikke længere det samme, hvis du drejer det 120°, " siger Kane. "Engang Liang foreslog, at der kunne være belastning, Det var umiddelbart indlysende som teoretiker, at to af de seks domæner skulle udvælges."

Efter opfølgende eksperimenter, der bekræftede deres hypotese, forskerne var desuden overraskede over, hvor kraftig en lille belastning kunne være til at ændre materialets egenskaber. "I fortiden, folk brugte belastning til at ændre spin retninger, men i vores tilfælde er det vigtigt, at en lille smule belastning kan kontrollere spindet, og det er fordi stammens rolle er virkelig fundamental i faseovergangen i vores tilfælde, " siger Wu.

Med denne nye indsigt, forskerne siger, at denne undersøgelse kunne være et udgangspunkt for bedre at kontrollere antiferromagnetiske egenskaber ved hjælp af små ændringer i belastningen. Deformation er også en meget lettere egenskab at kontrollere i denne klasse af materialer, som i øjeblikket kræver et massivt magnetfelt - i størrelsesordenen adskillige teslaer - for at ændre elektronspinretningen og kunne være en slags urskive eller drejeknap, der kunne ændre den magnetiske rækkefølge, eller mønsteret af elektronens spins.

"Fraværet af herreløse felter i antiferromagnetiske materialer betyder, at du ikke har en makroskopisk ting, som du kan bruge til at manipulere øjeblikket, " siger Mele, "Men der er en vis intern grad af frihed, der giver dig mulighed for at gøre det ved at koble direkte til bestillingen."

For at studere dette materiale yderligere, Ni arbejder på flere opfølgende eksperimenter. Dette inkluderer at se, om elektriske felter og impulser kan ændre spin-retning og evaluere brugen af ​​terahertz-impulser, den naturlige resonansfrekvens af antiferromagnetiske materialer, i styring af både elektronspinretning og skiftehastighed. "Vi kan muligvis bruge terahertz til at kontrollere spins, " Ni siger om dette system, som også er et ekspertiseregime for Wu-laboratoriet. "Terahertz er meget hurtigere end gigahertz, og for de antiferromagnetiske spins er det muligt, at vi kan bruge terahertz til at kontrollere ultrahurtig skift fra en tilstand til en anden."

"Antiferromagnetiske materialer giver nye spændende muligheder for at skabe hurtigere spintroniske enheder til informationsbehandling samt nye måder til effektiv generering af terahertz-stråling, som er den del af det elektromagnetiske spektrum for ud over 5G trådløs kommunikation, " siger Joe Qiu, programleder for Solid-State Electronics and Electromagnetics ved Hærens Forskningskontor, som finansierede denne undersøgelse. "Alle disse er vigtige teknologier for fremtidige hærens elektroniske systemer."