Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een verrassende eigenschap ontdekt in tweedimensionale (2-D) magneten, een nieuwe klasse materialen die veel aandacht krijgt. Hun bevinding is de eerste verificatie dat een signaal waarvan lang werd gedacht dat het te wijten was aan trillingen in het rooster - de structuur van het materiaal zelf - eigenlijk te wijten is aan een golf van elektronenspins.

Sommige materialen zijn samengesteld uit lagen die zeer zwak op elkaar inwerken, waarmee wetenschappers afzonderlijke lagen uit elkaar kunnen trekken of isoleren en toegang krijgen tot atomair dun (in de orde van enkele nanometers), 2D-platen. Bijvoorbeeld, grafeen was het eerste 2D-materiaal dat uit grafiet werd geïsoleerd. Hoe meer wetenschappers leren over deze 2D-materialen, hoe dichter ze bij het realiseren van potentiële toepassingen komen, vooral in de volgende generatie elektronica en zelfs kwantuminformatie.

Het NIST-team heeft hun resultaten vandaag gepubliceerd in: Fysieke beoordeling B .

Transistors zijn de bouwstenen van alle moderne elektronica, waar informatie wordt opgeslagen en overgedragen via beweging van elektronen. De stroom van deze elektronen resulteert in het genereren van een aanzienlijke hoeveelheid verwarming, daarom worden laptops heet bij langdurig gebruik.

Een mogelijkheid om dit hitteprobleem op te lossen is het gebruik van spingolven, magnonen genoemd, als informatiedrager in apparaten in plaats van bewegende elektronen. Toekomstige technologie op basis van magnonen, of "magnonics, " zou dan idealiter functioneren met weinig tot geen verwarming.

Het NIST-werk legt de basis voor toekomstige toepassingen door een meettechniek te ontwikkelen om de fundamentele fysica van magnonen te bestuderen. Het NIST-team zegt dat ingenieurs van 2D-apparaten bijzonder enthousiast zullen zijn over de hoge frequentie waarmee de magnon wordt waargenomen. Dit is belangrijk bij het bepalen van de schakelsnelheid in potentiële magnon-gebaseerde apparaten (bijvoorbeeld apparaten die in het THz-bereik werken in plaats van in het GHz-bereik).

Een unieke aanpak

De studie van 2D-materialen is uitgegroeid tot een eigen tak van de fysica van de gecondenseerde materie, hoewel het eerste 2D-materiaal, grafeen, werd pas in 2004 geïsoleerd, zei NIST-projectleider Angela Hight Walker. Deze materialen worden 2-D genoemd omdat ze micrometers breed kunnen zijn, maar ze zijn extreem dun - dun als een enkel atoom of 100, 000 keer kleiner dan een mensenhaar. Hun dikte op nanometerschaal zorgt voor meer aanpasbaarheid dan 3D-materialen, waar zelfs tussen één en twee lagen van hetzelfde materiaal dramatische verschillen te zien zijn.

"Een van de opwindende dingen van het onderzoeken van deze 2D-materialen is dat er zoveel verschillende manieren zijn om ze af te stemmen, " of hun gedrag beheersen, zei NIST-natuurkundige Amber McCreary. "Bijvoorbeeld, omdat ze zo fysiek flexibel zijn, onderzoekers kunnen grote hoeveelheden spanning toepassen om hun eigenschappen te veranderen, wat een afstemmechanisme is dat je niet zou hebben in een dikkere, stijver materiaal."

Het gebruik van 2D-materialen stelt wetenschappers ook in staat heterostructuren te creëren - sandwiches van dunne materialen die laag voor laag op elkaar worden gestapeld. Interacties tussen de verschillende lagen zorgen ook voor aanpasbaar gedrag, bijvoorbeeld ervoor zorgen dat grafeen supergeleidend wordt wanneer de lagen met een "magische hoek" ten opzichte van elkaar worden geroteerd.

Maar tot voor kort, niemand dacht dat gelaagde materialen magnetisch zouden kunnen zijn als je ze verkleint tot de 2D-limiet. Vervolgens, nog maar een paar jaar geleden, werd ontdekt dat sommigen van hen konden, in feite, houden hun magnetische gedrag in een enkele laag, en het veld "explodeerde met belangstelling, ' zei McCreary.

In het kielzog van deze doorbraak, Hight Walker en McCreary zagen onmiddellijk het potentieel om enkele van deze 2D magnetische materialen te onderzoeken met behulp van hun unieke Raman-spectroscopiesysteem.

Raman-spectroscopie is een techniek die een monster meet met laserlicht en vervolgens meet hoe dat licht door het monster wordt verstrooid. onthullende informatie over een 2D-materiaal, zoals de structuur, gebreken, doping, aantal lagen en koppeling tussen de lagen, en meer. Onderzoekers visualiseren de gegevens die ze verzamelen als een spectrum, een grafische weergave van alle frequenties die worden gemeten. Een typisch spectrum zou pieken hebben die een sterk signaal vertegenwoordigen bij bepaalde lichtfrequenties.

Naast alle mogelijkheden van conventionele Raman-spectroscopie, het op maat gemaakte systeem van NIST voegt de mogelijkheid toe om het verstrooide licht gelijktijdig te volgen als een functie van zowel temperatuur (tot 1,6 K) als magnetisch veld (tot 9 Tesla).

De NIST-wetenschappers kozen ervoor om de 2D-magneet FePS3 te onderzoeken omdat zijn Raman-spectra drastisch verandert wanneer deze magnetisch wordt bij lage temperaturen. Bij ongeveer 120 K (ongeveer -240 graden F), de spins van elk Fe-atoom staan ​​​​bij voorkeur tegenover hun buurman; deze configuratie wordt antiferromagnetisch genoemd, in tegenstelling tot ferromagnetisch waarbij alle spins in dezelfde richting zijn uitgelijnd.

Tijdens het uitvoeren van hun experimenten, ze ontdekten dat een van de pieken in hun Raman-spectra zich onverwacht gedroeg.

Een detectiveverhaal:Magnon of Phonon?

De crux van dit werk vereist het waarderen van het verschil tussen twee soorten collectieve excitaties, fononen en magnonen.

Fononen zijn gekwantiseerde roostertrillingen in een materiaal, waarbij het woord gekwantiseerd wordt gebruikt om aan te geven dat alleen bepaalde trillingsfrequenties zijn toegestaan. In deze animatie, je kunt zien hoe deze vibratie zich voortplant door de structuur van een eendimensionale (1D) keten van atomen, waarbij sommige atomen dichter bij elkaar komen, dan verder weg, als het materiaal trilt.

Magnonen, anderzijds, hebben geen betrekking op de beweging van de atomen zelf. In plaats daarvan, magnonen hebben betrekking op veranderingen in een kwantumeigenschap van elektronen in de atomen die spin worden genoemd, de eigenschap die magneten magnetisch maakt. Als je elk atoom als een kompas beschouwt, dan is spin (metaforisch) de naald van het kompas. In deze metafoor echter, de spin kan zowel naar het noorden (omhoog) als naar het zuiden (omlaag) wijzen. Onderstaande animatie toont een cartoon van een magnon, wat kan gebeuren wanneer de spins worden verstoord door het laserlicht. Je kunt zien hoe de pijlen een kabbelende beweging hebben die analoog is aan de spins in een magnetisch materiaal in deze voorbeeld 1D-keten. Deze excitatie van de spins wordt een spingolf genoemd.

Als je het Raman-spectrum van magnetische materialen meet, zowel fononen als magnons kunnen verschijnen als individuele pieken die aanvankelijk niet te onderscheiden zijn. Het vereist geavanceerde onderzoekstechnieken, inclusief het bestuderen van de functies en tegelijkertijd hun reactie op temperatuur en magnetisch veld volgen, om de twee echt te onderscheiden. Eerder, de onderzoeksgemeenschap had een bepaalde piek in het Raman-spectrum van FePS3 als fonon geïdentificeerd. But by changing the temperature and magnetic field strength, the NIST team discovered two odd behaviors.

Eerst, 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. Direct, 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."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NIST. Lees hier het originele verhaal.