Het lijkt misschien niet alsof een materiaal zo dun als een atoom verrassingen kan verbergen, maar een onderzoeksteam onder leiding van wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab) ontdekte een onverwachte magnetische eigenschap in een tweedimensionaal materiaal.

De wetenschappers ontdekten dat een 2-D van der Waals-kristal, onderdeel van een materiaalklasse waarvan de atomair dunne lagen één voor één kunnen worden afgepeld met plakband, bezat een intrinsiek ferromagnetisme.

De vondst, verschijnt op 26 april in het tijdschrift Natuur , kan grote gevolgen hebben voor een breed scala aan toepassingen die afhankelijk zijn van ferromagnetische materialen, zoals geheugen op nanoschaal, spintronische apparaten, en magnetische sensoren.

"Dit is een spannende ontdekking, " zei hoofdonderzoeker Xiang Zhang, senior faculteitswetenschapper bij de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en professor aan de UC Berkeley. "Dit experiment levert bewijs van rokende wapens voor een atomair dunne - en atomair platte - magneet, wat veel mensen verraste. Het opent de deur voor het verkennen van fundamentele spinfysica en spintronische toepassingen op lage dimensies."

De studie pakt een al lang bestaand probleem in de kwantumfysica aan over de vraag of magnetisme zou overleven wanneer materialen tot twee dimensies krimpen. Een halve eeuw lang, de stelling van Mermin-Wagner heeft deze vraag beantwoord door te stellen dat als 2D-materialen magnetische anisotropie missen, een directionele uitlijning van elektronenspins in het materiaal, er kan geen magnetische orde zijn.

"Interessant, we ontdekten dat magnetische anisotropie een inherente eigenschap is in het 2D-materiaal dat we hebben bestudeerd, en vanwege deze eigenschap, konden we het intrinsieke ferromagnetisme detecteren, " zei hoofdauteur Cheng Gong, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Zhang.

Van der Waals-troepen, vernoemd naar een Nederlandse wetenschapper, verwijst naar intermoleculaire aantrekkingskrachten die niet voortkomen uit de typische covalente of ionische bindingen die moleculen intact houden. Deze kwantumkrachten worden gebruikt door gekko's terwijl ze moeiteloos langs muren en plafonds rennen.

Van der Waals-kristallen beschrijven materialen waarin de 2D-lagen niet via traditionele bindingen met elkaar zijn verbonden, waardoor ze gemakkelijk kunnen worden geëxfolieerd met tape. Onderzoek naar grafeen, het meest bekende van der Waals materiaal, won in 2010 de Nobelprijs voor natuurkunde.

"Het is als de pagina's van een boek, " zei Gong. "De pagina's kunnen op elkaar worden gestapeld, maar de krachten die de ene pagina met de andere verbinden, zijn veel zwakker dan de krachten in het vlak die een enkel vel intact houden."

Gong schat dat voor deze studie, hij pelde er meer dan 3 af, 000 vlokken chroomgermaniumtelluride (Cr2Ge2Te6, of CGT). Hoewel CGT al tientallen jaren als bulkmateriaal bestaat, de onderzoekers zeggen dat de 2D-vlokken een opwindende nieuwe familie van 2D-van der Waals-kristal kunnen vertegenwoordigen.

"CGT is ook een halfgeleider, en het ferromagnetisme is intrinsiek, " zei co-senior auteur Jing Xia, UC Irvine universitair hoofddocent natuurkunde en sterrenkunde. "Dat maakt het schoner voor toepassingen in geheugen en spintronica."

De onderzoekers detecteren de magnetisatie van atomair dunne materialen met behulp van een techniek die magneto-optisch Kerr-effect wordt genoemd. De methode omvat de supergevoelige detectie van de rotatie van lineair gepolariseerd licht wanneer het interageert met elektronenspins in het materiaal.

De sleutel tot een van de meer verrassende bevindingen van de studie is dat de magnetische anisotropie erg klein was in het CGT-materiaal. Dat stelde onderzoekers in staat om gemakkelijk de temperatuur te regelen waarbij het materiaal zijn ferromagnetisme verliest, bekend als de overgangs- of Curietemperatuur.

"Dit is een belangrijke ontdekking, " zei Gong, "Mensen geloven dat de Curie-temperatuur een inherente eigenschap is van een magnetisch materiaal en niet kan worden veranderd. Ons onderzoek toont aan dat dit kan."

De onderzoekers toonden aan dat ze de overgangstemperatuur van de CGT-vlok konden regelen met verrassend kleine magnetische velden van 0,3 tesla of minder.

"Dunne films van metalen zoals ijzer, kobalt, en nikkel, in tegenstelling tot 2D van der Waals materialen, zijn structureel onvolmaakt en vatbaar voor verschillende verstoringen, die bijdragen aan een enorme en onvoorspelbare valse anisotropie, "zei Gong. "In tegenstelling, de zeer kristallijne en uniform vlakke 2-D CGT, samen met zijn kleine intrinsieke anisotropie, laat kleine externe magnetische velden toe om de anisotropie effectief te ontwikkelen, waardoor een ongekende magnetische veldcontrole van ferromagnetische overgangstemperaturen mogelijk is."

De auteurs van het onderzoek wezen er ook op dat een opvallend kenmerk van van der Waals-kristallen is dat ze gemakkelijk kunnen worden gecombineerd met ongelijksoortige materialen zonder beperkingen op basis van structurele of chemische compatibiliteit.

"De mogelijkheden om verschillende materialen te combineren om nieuwe functionaliteiten te ontwikkelen zijn aantrekkelijk, " zei mede-senior auteur Steven Louie, senior faculteitswetenschapper bij Berkeley Lab's Materials Sciences Division en UC Berkeley hoogleraar natuurkunde. "Dit biedt een enorme hoeveelheid flexibiliteit bij het ontwerpen van kunstmatige structuren voor diverse magneto-elektrische en magneto-optische toepassingen."