Zoals Bigfoot en het monster van Loch Ness, kritische spin-fluctuaties in een magnetisch systeem zijn niet op film vastgelegd. In tegenstelling tot de legendarische wezens, deze fluctuaties - die sterk gecorreleerde elektronenspinpatronen zijn - bestaan ​​echt, maar ze zijn te willekeurig en turbulent om in realtime te zien.

Een team van Cornell ontwikkelde een nieuwe beeldvormingstechniek die snel en gevoelig genoeg is om deze ongrijpbare kritische fluctuaties in tweedimensionale magneten waar te nemen. Deze realtime beeldvorming stelt onderzoekers in staat om de fluctuaties te beheersen en magnetisme te veranderen via een "passief" mechanisme dat uiteindelijk zou kunnen leiden tot meer energie-efficiënte magnetische opslagapparaten.

Radicale samenwerking

De krant van het team, "Beeldvorming en controle van kritieke fluctuaties in tweedimensionale magneten, " gepubliceerd op 8 juni in Natuurmaterialen .

De co-senior auteurs van het artikel zijn Kin Fai Mak, universitair hoofddocent natuurkunde aan de Hogeschool voor de Kunsten en Wetenschappen, en Jie Shan, hoogleraar toegepaste en technische fysica aan het College of Engineering. Beide onderzoekers zijn lid van het Kavli Institute in Cornell for Nanoscale Science, en ze kwamen naar Cornell via het initiatief Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano) van de provoost. Hun gedeelde lab is gespecialiseerd in de fysica van atomair dunne kwantummaterialen.

Magnetisatiefluctuaties worden als "kritisch" beschouwd wanneer ze zich voordoen in de buurt van het thermodynamische kritieke punt, dat is het moment waarop een vorm van materie overgaat in een nieuwe fase, aanleiding geven tot allerlei ongewone verschijnselen. Een typisch voorbeeld is ijzer, die zijn magnetische eigenschappen verliest bij verhitting tot extreme temperaturen.

In deze kritieke regio of regime, de fluctuaties gedragen zich niet meer willekeurig en worden in plaats daarvan sterk gecorreleerd.

"Als je je voorstelt dat alle luchtmoleculen gecorreleerd zijn, ze bewegen samen op een zeer grote lengteschaal als wind, " zei Chenhao Jin, een postdoctoraal onderzoeker bij het Kavli Institute en de hoofdauteur van de paper. "Dat is wat er gebeurt als de fluctuatie gecorreleerd raakt. Het kan leiden tot dramatische effecten in een systeem en op elke schaal, omdat de correlatie, in principe, oneindig kan gaan. De fluctuatie waar we hier naar kijken is de spin, of magnetisch moment, fluctuaties."

Deze kritische magnetisatiefluctuaties zijn moeilijk te zien omdat ze voortdurend veranderen en zich voordoen in een zeer smal temperatuurbereik.

"Natuurkundigen hebben de magnetische faseovergang gedurende vele decennia bestudeerd, en we weten dat dit fenomeen gemakkelijker kan worden waargenomen in een tweedimensionaal systeem, "Zei Mak. "Wat is er meer tweedimensionaal dan een magneet met maar een enkele laag atomen?"

Het observeren van een signaal van een enkele atoomlaag biedt nog steeds tal van uitdagingen. De onderzoekers gebruikten een enkellaags ferromagnetische isolator, chroombromide, dat als een tweedimensionaal systeem een ​​breder kritisch regime en sterkere fluctuaties heeft. Om deze fluctuaties in realtime te zien, de onderzoekers hadden een methode nodig die even snel was, met een hoge ruimtelijke resolutie en brede veldbeeldvorming.

Het team kon aan die criteria voldoen door licht met een zeer zuivere polarisatietoestand te gebruiken om de monolaag te onderzoeken en een schoon signaal van het magnetische moment op te nemen - dat is de sterkte en oriëntatie van de magneet - terwijl het zijn spontane fluctuaties maakt.

De mogelijkheid om dit fenomeen in realtime vast te leggen, betekent dat de onderzoekers de kritische fluctuaties in de magneet kunnen beheersen door simpelweg een kleine spanning toe te passen en de fluctuaties heen en weer te laten schakelen tussen toestanden. Zodra de beoogde staat of waarde is bereikt, de spanning kan worden uitgeschakeld. Er is geen magnetisch veld nodig om de fluctuaties te beheersen, omdat ze in wezen zichzelf aandrijven. Dit zou mogelijk kunnen leiden tot het creëren van magnetische opslagapparaten die veel minder energie verbruiken.

"Het is een fundamenteel ander concept dan actieve magnetische toestandsschakeling, omdat het volledig passief is, "Zei Mak. "Het is een omschakeling op basis van de informatie die is verkregen uit metingen, in plaats van het systeem actief aan te sturen. Het is dus een nieuw concept dat in potentie veel energie kan besparen."