Spintronics:Eksotisk ferromagnetisk orden i to-dimensioner

De tyndeste materialer i verden er kun et enkelt atom tykke. Disse former for todimensionelle eller 2D-materialer - såsom grafen, velkendt som bestående af et enkelt lag af kulstofatomer - forårsager stor begejstring blandt forskerhold verden over. Dette skyldes, at disse materialer lover usædvanlige egenskaber, som ikke kan opnås ved brug af tredimensionelle materialer. Som følge heraf åbner 2D-materialer døren til nye applikationer inden for områder som informations- og displayteknologi samt for kritiske komponenter i ekstremt følsomme sensorer.

Strukturer kendt som van-der-Waals monolag vækker særlig interesse. Disse er kombinationer af to eller flere lag af forskellige materialer, der hver kun er et enkelt atom tykke, hvor lagene holdes til hinanden af ​​svage elektrostatiske van-der-Waals-kræfter. Ved at vælge typen og rækkefølgen af ​​materialelag, der er bundet på denne måde, kan specifikke elektriske, magnetiske og optiske egenskaber vælges og modificeres. Der er dog endnu ikke opnået en opskaleret homogen aflejring af individuelle van-der-Waals lag med ferromagnetiske egenskaber. Alligevel er det netop denne form for magnetisme i større skala, der er særlig vigtig for adskillige potentielle anvendelser – såsom for en ny form for ikke-flygtig hukommelse for eksempel.

Forskere fra Max Planck Instituttet for Mikrostrukturfysik i Halle, Tyskland, ALBA synkrotronlyskilden i Barcelona, ​​Spanien og Helmholtz-Zentrum Berlin er nu for første gang lykkedes med at skabe et ensartet todimensionelt materiale – og demonstrere et eksotisk materiale. ferromagnetisk opførsel inden for det kendt som "easy-plane" magnetisme.

Et næsten frit svævende lag af krom og klor

Forskerne fra Tyskland og Spanien brugte chromchlorid (CrCl₃ ) som et materiale, der ligner den tilsvarende forbindelse lavet af chrom og jod i strukturen - men kan være betydeligt mere robust. Holdet i Halle deponerede et monoatomisk lag af dette materiale i makroskala på et grafenbelagt siliciumcarbidsubstrat ved hjælp af molekylærstråleepitaxi. Formålet med grafenen var at reducere interaktionen mellem chromchlorid og siliciumcarbid og derved forhindre substratet i at påvirke egenskaberne af det monoatomiske CrCl₃ lag. Dette var nøglen til at få adgang til den undvigende magnetiske let-plan-anisotropi", forklarer Dr. Amilcar Bedoya-Pinto, en forsker i Prof. Stuart Parkins gruppe ved Max Planck Institute i Halle. "I grunden fik vi en næsten fritflydende, ultratyndt lag, der kun var bundet til grafenmellemlaget af svage van-der-Waals-kræfter."

Holdets mål var at besvare spørgsmålet om, hvordan den magnetiske orden i chromchlorid manifesterer sig, når den kun består af et enkelt monoatomisk lag. I sin normale tredimensionelle form er stoffet antiferromagnetisk. Som et resultat er atomernes magnetiske momenter orienteret i modsatte retninger i hvert lag - hvilket får materialet til at fremstå umagnetisk i bulk. Teoretiske overvejelser har hidtil antydet, at den magnetiske orden går tabt eller udviser svag konventionel magnetisering, når materialet reduceres til et enkelt atomlag.

Nøjagtige målinger på VEKMAG-anlægget

Men det er nu lykkedes for forskere at modbevise dette - ved at tage et detaljeret kig på 2D-materialets magnetiske egenskaber. For at gøre det brugte de de unikke egenskaber fra VEKMAG vektormagnetfaciliteten installeret ved HZB's synkrotronstrålingskilde BESSY II. "Her er det muligt at undersøge prøver ved hjælp af bløde røntgenstråler i et stærkt magnetfelt - og ved temperaturer nær det absolutte nul", siger Dr. Florin Radu, leder af teamet hos HZB, der er ansvarlig for driften på VEKMAG-anlægget. "Disse aspekter gør anlægget unikt i verden", tilføjer Berlin-forskeren. Det gjorde det muligt for teammedlemmerne fra Halle at bestemme orienteringen af ​​individuelle magnetiske momenter og præcist at skelne mellem chrom- og kloratomer.

Under målingerne observerede forskerne, hvordan ferromagnetisk orden dannedes i det todimensionelle materiale under en bestemt temperatur, det såkaldte Curie-temperatur. "I det monoatomiske chromchloridlag fandt der en faseovergang, der er karakteristisk for letflydende magneter sted, som aldrig før var blevet observeret i et sådant 2D-materiale", rapporterer Bedoya-Pinto.

Medvind til udvikling af spintronics

Opdagelsen giver ikke kun ny indsigt i todimensionelle materialers magnetiske opførsel. "Vi har nu også en fremragende platform til at udforske en række fysiske fænomener, der kun eksisterer i todimensionelle magneter", er Bedoya-Pinto glad for at sige, såsom superfluid (tabsfri) transport af spin, som er en slags iboende vinkel. momentum af elektroner og andre partikler. Disse er grundlaget for en ny form for databehandling, der – i modsætning til konventionel elektronik – bruger magnetiske momenter frem for elektriske ladninger. Dette er kendt som spintronics og revolutionerer i øjeblikket datalagring og informationsbehandling. Den nye indsigt opnået hos HZB kunne sætte skub i denne udvikling. + Udforsk yderligere

Visualisering af atomstruktur og magnetisme af 2-D magnetiske isolatorer