Onderzoekers van het Centrum voor gecorreleerde elektronensystemen, binnen het Institute for Basic Science (IBS) in Zuid-Korea, in samenwerking met Sogang University en Seoul National University, rapporteerde de eerste experimentele waarneming van een XY-type antiferromagnetisch materiaal, waarvan de magnetische orde onstabiel wordt wanneer deze wordt teruggebracht tot een dikte van één atoom. Gepubliceerd in Natuurcommunicatie , deze bevindingen komen overeen met theoretische voorspellingen die teruggaan tot de jaren zeventig.

Dimensionaliteit in de natuurkunde is een belangrijk concept dat de aard van materie bepaalt. De ontdekking van grafeen opende de deuren van de 2D-wereld:een plek waar het verschil maakt om één atoom of twee atoom dik te zijn. Vanaf dat moment, verschillende wetenschappers raakten geïnteresseerd in het experimenteren met 2D-materialen, inclusief magnetische materialen.

Magnetische materialen worden gekenmerkt door hun spingedrag. Spins kunnen parallel of antiparallel aan elkaar worden uitgelijnd, resulterend in ferromagneten of antiferromagneten, respectievelijk. Verder dan dat, alle klassen van materialen kunnen, in principe, behoren tot drie verschillende modellen volgens een fundamenteel begrip van de natuurkunde:Ising, XY of Heisenberg. Het XY-model verklaart het gedrag van materialen waarvan de spins alleen bewegen op een vlak dat bestaat uit de x- en y-as.

Het spingedrag kan drastisch veranderen wanneer de magneet tot het dunste niveau wordt gesneden, omdat 2D-materialen gevoeliger zijn voor temperatuurschommelingen, die het patroon van goed uitgelijnde spins kan vernietigen. Bijna 50 jaar geleden, John M. Kosterlitz en David J. Thouless, en Vadim Berezinskii onafhankelijk, theoretisch beschreven dat 2-D XY-modellen geen normale magnetische faseovergang ondergaan bij lage temperaturen, maar een zeer ongebruikelijke vorm, later BKT-transitie genoemd. Ze realiseerden zich dat kwantumfluctuaties van individuele spins veel meer verstorend zijn in de 2D-wereld dan in de 3D-wereld, wat ertoe kan leiden dat spins een vortexpatroon aannemen. Kosterlitz en Thouless kregen in 2016 de Nobelprijs voor de Natuurkunde.

Door de jaren heen, ferromagnetische materialen zijn uitgebreid geanalyseerd, maar het onderzoek naar antiferromagnetische materialen verliep niet met dezelfde snelheid. De reden is dat deze laatste andere experimentele technieken nodig hebben. "Ondanks de interesse en theoretische grondslagen, niemand heeft er ooit mee geëxperimenteerd. De belangrijkste reden hiervoor is dat het erg moeilijk is om de magnetische eigenschappen van zo'n dun antiferromagnetisch materiaal in detail te meten, " zegt PARK Je-Geun, hoofdauteur van de publicatie.

De onderzoekers die betrokken waren bij dit onderzoek richtten zich op een klasse van overgangsmetalen die geschikt zijn voor het bestuderen van antiferromagnetische ordening in 2D. Onder hen, nikkelfosfortrisulfide (NiPS3) komt overeen met het XY-type en is antiferromagnetisch bij lage temperaturen. Het is ook een van der Waals materiaal, gekenmerkt door sterke bindingen tussen de lagen, en gemakkelijk verbreekbare verbindingen tussen de lagen. Als resultaat, NiPS3 kan in meerdere lagen worden voorbereid, met een techniek die chemische dampafzetting wordt genoemd, en vervolgens geëxfolieerd tot monolaag, waardoor men de correlatie tussen magnetische ordening en het aantal lagen kan onderzoeken.

Het team analyseerde en vergeleek NiPS3 in bulk en als monolaag met Raman-spectroscopie, een techniek die toelaat om het aantal lagen en fysische eigenschappen te bepalen. Ze merkten dat hun magnetisme veranderde naargelang de dikte:de volgorde van de spins wordt onderdrukt op monolaagniveau.

"Het interessante is de drastische verandering tussen de dubbellaag en de monolaag. Op het eerste gezicht, er is misschien geen groot verschil tussen de twee, maar het effect van het verplaatsen van twee dimensies naar drie dimensies zorgt ervoor dat hun fysieke eigenschappen abrupt veranderen, ’ legt Parket uit.

Dit is een ander voorbeeld van dikteafhankelijke magnetische materialen. Onder hen, chroomtrijodide (CrI ₃ ) is ferromagnetisch als monolaag, anti-ferromagnetisch als dubbellaag, en terug naar ferromagnetisch als drielaags. En in tegenstelling tot ijzertrithiohypofosfaat (FePS ₃ ), waarvoor IBS-wetenschappers van de groep van prof. Park in 2016 ontdekten dat het zijn antiferromagnetische ordening intact houdt tot aan de monolaag.

De groep onderzoekt ook het Heisenberg-model, en nieuwe verschijnselen die voortkomen uit de combinatie van antiferromagnetische materialen met andere.