Voor de eerste keer, natuurkundigen van de Universiteit van Basel zijn erin geslaagd de magnetische eigenschappen van atomair dunne van der Waals-materialen op nanoschaal te meten. Ze gebruikten diamanten kwantumsensoren om de sterkte van de magnetisatie van individuele atomaire lagen van het materiaal chroomtrijodide te bepalen. In aanvulling, ze vonden een lang gezochte verklaring voor de ongebruikelijke magnetische eigenschappen van het materiaal. Het journaal Wetenschap heeft de bevindingen gepubliceerd.

Het gebruik van atomair dunne, tweedimensionale van der Waals-materialen belooft innovaties op tal van gebieden in wetenschap en technologie. Wetenschappers over de hele wereld zijn voortdurend op zoek naar nieuwe manieren om verschillende enkelvoudige atoomlagen te stapelen en zo nieuwe materialen te ontwikkelen met unieke, opkomende eigenschappen.

Deze superdunne composietmaterialen worden bij elkaar gehouden door van der Waals-krachten en gedragen zich vaak anders dan bulkkristallen van hetzelfde materiaal. Atomair dunne van der Waals-materialen omvatten isolatoren, halfgeleiders, supergeleiders en enkele materialen met magnetische eigenschappen. Het gebruik ervan in spintronica of ultracompacte magnetische geheugenmedia is veelbelovend.

De eerste kwantitatieve meting van magnetisatie

Tot nu, het is niet mogelijk geweest om de sterkte te bepalen, uitlijning en structuur van deze magneten kwantitatief noch op nanoschaal. Het team onder leiding van Georg-H.-Endress Professor Patrick Maletinsky van de afdeling Natuurkunde en het Zwitserse Nanoscience Institute van de Universiteit van Basel heeft aangetoond dat het gebruik van diamanten tips versierd met enkele elektronenspins in een atoomkrachtmicroscoop bij uitstek geschikt is voor dit soort onderzoeken.

"Onze methode, die de individuele spins in diamantkleurcentra als sensoren gebruikt, opent een heel nieuw veld. De magnetische eigenschappen van tweedimensionale materialen kunnen nu op nanoschaal en zelfs op kwantitatieve wijze worden bestudeerd. Onze innovatieve kwantumsensoren zijn perfect geschikt voor deze complexe taak, ', zegt Maletinski.

Het aantal lagen is cruciaal

Met behulp van deze technologie, die oorspronkelijk in Bazel is ontwikkeld en gebaseerd is op een enkele elektronspin, de wetenschappers werkten samen met onderzoekers van de Universiteit van Genève om de magnetische eigenschappen van enkele atomaire lagen van chroomtrijodide (CrI ₃ ). Zo konden de onderzoekers het antwoord vinden op een belangrijke wetenschappelijke vraag over het magnetisme van dit materiaal.

Als driedimensionaal, bulk kristal, chroomtrijodide is volledig magnetisch geordend. In het geval van enkele atomaire lagen, echter, alleen stapels met een oneven aantal atomaire lagen vertonen een magnetisatie die niet nul is. Stapels met een even aantal lagen vertonen een antiferromagnetisch gedrag; d.w.z. ze zijn niet gemagnetiseerd. De oorzaak van dit "even/oneven-effect" en de discrepantie met bulkmateriaal was voorheen onbekend.

Spanning als oorzaak

Het team van Maletinsky kon aantonen dat dit fenomeen te wijten is aan de specifieke atomaire rangschikking van de lagen. Tijdens de monstervoorbereiding, de afzonderlijke chroomtrijodidelagen bewegen lichtjes tegen elkaar. De resulterende spanning in het rooster betekent dat de spins van opeenvolgende lagen niet in dezelfde richting kunnen worden uitgelijnd; in plaats daarvan, de draairichting wisselt in de lagen. Met een even aantal lagen, de magnetisatie van de lagen heffen elkaar op; met een oneven nummer, de sterkte van de gemeten magnetisatie komt overeen met die van een enkele laag.

Echter, wanneer de spanning in de stapel wordt opgeheven, bijvoorbeeld door het monster te doorboren - de spins van alle lagen kunnen in dezelfde richting worden uitgelijnd, zoals ook wordt waargenomen in bulkkristallen. De magnetische sterkte van de gehele stapel is dan consistent met de som van de afzonderlijke lagen.

Het werk van de Baselse wetenschappers beantwoordt daarmee niet alleen een belangrijke vraag over tweedimensionale Van der Waals-magneten, het opent ook interessante perspectieven over hoe hun innovatieve kwantumsensoren in de toekomst kunnen worden gebruikt om tweedimensionale magneten te bestuderen om bij te dragen aan de ontwikkeling van nieuwe elektronische componenten.