Magnetische materialen vormen de basis van technologieën die tegenwoordig een steeds grotere rol spelen in ons leven, inclusief detectie en gegevensopslag op de harde schijf. Maar aangezien onze innovatieve dromen wensen oproepen voor steeds kleinere en snellere apparaten, onderzoekers zoeken naar nieuwe magnetische materialen die compacter zijn, efficiënter en kan worden gecontroleerd met behulp van nauwkeurige, betrouwbare methoden.

Een team onder leiding van de Universiteit van Washington en het Massachusetts Institute of Technology heeft voor het eerst magnetisme ontdekt in de 2D-wereld van monolagen, of materialen die worden gevormd door een enkele atoomlaag. De bevindingen, gepubliceerd op 8 juni in het tijdschrift Natuur , demonstreren dat magnetische eigenschappen zelfs in het 2-D-rijk kunnen bestaan, waardoor een wereld van potentiële toepassingen wordt geopend.

"Wat we hier hebben ontdekt, is een geïsoleerd 2D-materiaal met intrinsiek magnetisme, en het magnetisme in het systeem is zeer robuust, " zei Xiaodong Xu, een UW hoogleraar natuurkunde en materiaalkunde en techniek, en lid van het Clean Energy Institute van de UW. "We voorzien dat nieuwe informatietechnologieën kunnen ontstaan ​​op basis van deze nieuwe 2D-magneten."

Xu en MIT natuurkundeprofessor Pablo Jarillo-Herrero leidden het internationale team van wetenschappers dat bewees dat het materiaal - chroomtrijodide, of CrI3—heeft magnetische eigenschappen in zijn monolaagvorm.

andere groepen, waaronder co-auteur Michael McGuire van het Oak Ridge National Laboratory, had eerder aangetoond dat CrI3 - in zijn meerlagige, 3D, bulkkristalvorm - is ferromagnetisch. In ferromagnetische materialen, de "spins" van samenstellende elektronen, analoog aan klein, subatomaire magneten, uitlijnen in dezelfde richting, zelfs zonder een extern magnetisch veld.

Maar geen enkele 3D-magnetische substantie had eerder zijn magnetische eigenschappen behouden toen hij werd uitgedund tot een enkele atoomplaat. In feite, monolaagmaterialen kunnen unieke eigenschappen vertonen die niet worden gezien in hun meerlagige, 3D-vormen.

"Je kunt gewoon niet nauwkeurig voorspellen wat de elektrische, magnetisch, fysische of chemische eigenschappen van een 2-D monolaag kristal zullen gebaseerd zijn op het gedrag van zijn 3-D bulk tegenhanger, " zei co-lead auteur en UW-doctoraatsstudent Bevin Huang.

Atomen in monolaagmaterialen worden als "functioneel" tweedimensionaal beschouwd omdat de elektronen alleen binnen de atoomplaat kunnen reizen, als stukken op een schaakbord.

Om de eigenschappen van CrI3 in zijn 2-D vorm te ontdekken, het team gebruikte plakband om een ​​monolaag CrI3 van de grotere, 3D kristalvorm.

"Het gebruik van plakband om een ​​monolaag van zijn 3D-bulkkristal te exfoliëren is verrassend effectief, " zei co-hoofdauteur en UW-doctoraatsstudent Genevieve Clark. "Deze eenvoudige, goedkope techniek werd voor het eerst gebruikt om grafeen te verkrijgen, de 2D-vorm van grafiet, en is sindsdien met succes gebruikt met andere materialen."

In ferromagnetische materialen, de uitgelijnde spins van elektronen laten een veelbetekenende handtekening achter wanneer een bundel gepolariseerd licht wordt gereflecteerd door het oppervlak van het materiaal. De onderzoekers ontdekten deze signatuur in CrI3 met een speciaal type microscopie. Het is het eerste definitieve teken van intrinsiek ferromagnetisme in een geïsoleerde monolaag.

Verrassend genoeg, in CrI3-vlokken die twee lagen dik zijn, de optische handtekening is verdwenen. Dit geeft aan dat de elektronenspins tegengesteld aan elkaar zijn uitgelijnd, een term die bekend staat als anti-ferromagnetische ordening.

Ferromagnetisme keerde terug in drielaags CrI3. De wetenschappers zullen verder onderzoek moeten doen om te begrijpen waarom CrI3 deze opmerkelijke laagafhankelijke magnetische fasen vertoonde. Maar naar Xu, dit zijn slechts enkele van de werkelijk unieke eigenschappen die worden onthuld door monolagen te combineren.

"Alleen 2-D monolagen bieden opwindende mogelijkheden om de drastische en nauwkeurige elektrische controle van magnetische eigenschappen te bestuderen, wat een uitdaging was om te realiseren met behulp van hun 3D-bulkkristallen, " zei Xu. "Maar een nog grotere kans kan ontstaan ​​wanneer je monolagen met verschillende fysieke eigenschappen op elkaar stapelt. Daar, je kunt nog meer exotische verschijnselen krijgen die je niet alleen in de monolaag of in het 3D-bulkkristal ziet."

Veel van Xu's onderzoek richt zich op het creëren van heterostructuren, dat zijn stapels van twee verschillende ultradunne materialen. Op het raakvlak tussen de twee materialen, zijn team zoekt naar nieuwe fysieke fenomenen of nieuwe functies om mogelijke toepassingen in computer- en informatietechnologieën mogelijk te maken.

In een verwant voorschot, Xu's onderzoeksgroep, UW professor elektrotechniek en natuurkunde Kai-Mei Fu leidde een team van collega's en publiceerde op 31 mei een paper wetenschappelijke vooruitgang waaruit blijkt dat een ultradunne vorm van CrI3, wanneer gestapeld met een monolaag van wolfraamdiselenide, creëert een ultraschone "heterostructuur"-interface met unieke en onverwachte fotonische en magnetische eigenschappen.

"Heterostructuren houden de grootste belofte in voor het realiseren van nieuwe toepassingen in de informatica, database-opslag, communicatie en andere toepassingen die we nog niet eens kunnen doorgronden, " zei Xu.

Xu en zijn team willen vervolgens de magnetische eigenschappen onderzoeken die uniek zijn voor 2D-magneten en heterostructuren die een CrI3-monolaag of dubbellaag bevatten.