Onderzoekers hebben een nieuwe vorm van magnetisme geïdentificeerd in zogenaamd magnetisch grafeen, die de weg zou kunnen wijzen naar het begrijpen van supergeleiding in dit ongebruikelijke type materiaal.

De onderzoekers, geleid door de Universiteit van Cambridge, waren in staat om de geleidbaarheid en het magnetisme van ijzerthiofosfaat (FePS ₃ ), een tweedimensionaal materiaal dat bij samendrukking een overgang van een isolator naar een metaal ondergaat. Deze klasse van magnetische materialen biedt nieuwe manieren om de fysica van nieuwe magnetische toestanden en supergeleiding te begrijpen.

Met behulp van nieuwe hogedruktechnieken, de onderzoekers hebben laten zien wat er gebeurt met magnetisch grafeen tijdens de overgang van isolator naar geleider en naar zijn onconventionele metallische toestand, alleen gerealiseerd onder ultrahoge drukomstandigheden. Wanneer het materiaal metaalachtig wordt, het blijft magnetisch, wat in strijd is met eerdere resultaten en aanwijzingen geeft over hoe de elektrische geleiding in de metaalfase werkt. De nieuw ontdekte magnetische hogedrukfase vormt waarschijnlijk een voorloper van supergeleiding, dus het is van vitaal belang om de mechanismen ervan te begrijpen.

hun resultaten, gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordeling X , suggereren ook een manier waarop nieuwe materialen kunnen worden ontworpen om gecombineerde geleiding en magnetische eigenschappen te hebben, die nuttig kunnen zijn bij de ontwikkeling van nieuwe technologieën zoals spintronica, die de manier waarop computers informatie verwerken zou kunnen veranderen.

Eigenschappen van materie kunnen drastisch veranderen met veranderende dimensionaliteit. Bijvoorbeeld, grafeen, koolstof nanobuisjes, grafiet en diamant zijn allemaal gemaakt van koolstofatomen, maar hebben zeer verschillende eigenschappen vanwege hun verschillende structuur en dimensionaliteit.

"Maar stel je voor dat je ook al deze eigenschappen zou kunnen veranderen door magnetisme toe te voegen, " zei eerste auteur Dr. Matthew Coak, die gezamenlijk is gevestigd in Cambridge's Cavendish Laboratory en de University of Warwick. "Een materiaal dat mechanisch flexibel zou kunnen zijn en een nieuw soort circuit zou kunnen vormen om informatie op te slaan en berekeningen uit te voeren. Daarom zijn deze materialen zo interessant, en omdat ze hun eigenschappen drastisch veranderen als ze onder druk worden gezet, zodat we hun gedrag kunnen beheersen."

In een eerdere studie door Sebastian Haines van Cambridge's Cavendish Laboratory en het Department of Earth Sciences, onderzoekers hebben vastgesteld dat het materiaal onder hoge druk een metaal wordt, en schetste hoe de kristalstructuur en rangschikking van atomen in de lagen van dit 2-D materiaal veranderen door de overgang.

"Het ontbrekende stuk is echter gebleven, het magnetisme, "zei Coak. "Zonder experimentele technieken die in staat zijn om de kenmerken van magnetisme in dit materiaal te onderzoeken bij zo'n hoge druk, ons internationale team moest onze eigen nieuwe technieken ontwikkelen en testen om het mogelijk te maken."

De onderzoekers gebruikten nieuwe technieken om de magnetische structuur te meten tot recordbrekende hoge drukken, met behulp van speciaal ontworpen diamanten aambeelden en neutronen om op te treden als de sonde van magnetisme. Ze waren toen in staat om de evolutie van het magnetisme naar de metallische toestand te volgen.

"Tot onze verbazing we ontdekten dat het magnetisme overleeft en in sommige opzichten wordt versterkt, " co-auteur Dr. Siddharth Saxena, groepsleider bij het Cavendish Laboratory. "Dit is onverwacht, omdat de nieuw vrij rondlopende elektronen in een nieuw geleidend materiaal niet langer kunnen worden vastgezet op hun oorspronkelijke ijzeratomen, het genereren van magnetische momenten daar - tenzij de geleiding uit een onverwachte bron komt."

In hun vorige krant de onderzoekers toonden aan dat deze elektronen in zekere zin 'bevroren' waren. Maar toen ze ze lieten stromen of bewegen, ze begonnen steeds meer met elkaar te communiceren. Het magnetisme overleeft, maar wordt gewijzigd in nieuwe vormen, waardoor nieuwe kwantumeigenschappen ontstaan ​​in een nieuw type magnetisch metaal.

Hoe een materiaal zich gedraagt, of het nu geleider of isolator is, is meestal gebaseerd op hoe de elektronen, of opladen, beweeg. Echter, het is aangetoond dat de 'spin' van de elektronen de bron van magnetisme is. Spin zorgt ervoor dat elektronen zich een beetje gedragen als kleine staafmagneten en een bepaalde kant op wijzen. Magnetisme uit de rangschikking van elektronenspins wordt in de meeste geheugenapparaten gebruikt:het benutten en beheersen ervan is belangrijk voor de ontwikkeling van nieuwe technologieën zoals spintronica, die de manier waarop computers informatie verwerken zou kunnen veranderen.

"De combinatie van die twee, de lading en de spin, is de sleutel tot hoe dit materiaal zich gedraagt, " zei co-auteur Dr. David Jarvis van het Institut Laue-Langevin, Frankrijk, die dit werk uitvoerde als basis voor zijn Ph.D. onderzoek aan het Cavendish-laboratorium. "Het vinden van dit soort kwantummultifunctionaliteit is een nieuwe sprong voorwaarts in de studie van deze materialen."

"We weten niet precies wat er op kwantumniveau gebeurt, maar op het zelfde moment, we kunnen het manipuleren, "zei Saxena. "Het is net als die beroemde 'onbekende onbekenden':we hebben een nieuwe deur geopend naar eigenschappen van kwantuminformatie, maar we weten nog niet wat die eigenschappen zouden kunnen zijn."

Er zijn meer potentiële chemische verbindingen om te synthetiseren dan ooit volledig onderzocht en gekarakteriseerd zou kunnen worden. Maar door zorgvuldig materialen met bijzondere eigenschappen te selecteren en af ​​te stemmen, het is mogelijk om de weg te wijzen naar het creëren van verbindingen en systemen, maar zonder enorme druk uit te oefenen.

Aanvullend, het verkrijgen van fundamenteel begrip van fenomenen zoals laagdimensionaal magnetisme en supergeleiding stelt onderzoekers in staat de volgende sprongen te maken in materiaalwetenschap en techniek, met bijzonder potentieel op het gebied van energie-efficiëntie, generatie en opslag.

Wat het geval van magnetisch grafeen betreft, de onderzoekers zijn vervolgens van plan om de zoektocht naar supergeleiding binnen dit unieke materiaal voort te zetten. "Nu we enig idee hebben wat er met dit materiaal gebeurt bij hoge druk, we kunnen enkele voorspellingen doen over wat er zou kunnen gebeuren als we proberen de eigenschappen ervan af te stemmen door vrije elektronen toe te voegen door het verder te comprimeren, ' zei Kok.

"Wat we najagen is supergeleiding, "zei Saxena. "Als we een soort supergeleiding kunnen vinden die gerelateerd is aan magnetisme in een tweedimensionaal materiaal, het zou ons een kans kunnen geven om een ​​probleem op te lossen dat al tientallen jaren teruggaat."