Rijstfysici hebben de topologische oorsprong van magnonen bevestigd, magnetische kenmerken die ze drie jaar geleden ontdekten in een 2D-materiaal dat nuttig zou kunnen zijn voor het coderen van informatie in de spins van elektronen.

De vondst, beschreven in een studie die deze week online is gepubliceerd in het tijdschrift American Physical Society Fysieke beoordeling X , biedt een nieuw begrip van topologie-gedreven spin-excitaties in materialen die bekend staan ​​als 2D-van der Waals-magneten. De materialen zijn in toenemende mate interessant voor spintronica, een beweging in de solid-state elektronicagemeenschap naar technologieën die elektronenspins gebruiken om informatie te coderen voor berekeningen, opslag en communicatie.

Spin is een intrinsiek kenmerk van kwantumobjecten en de spins van elektronen spelen een sleutelrol bij het tot stand brengen van magnetisme.

Rijstfysicus Pengcheng Dai, co-corresponderende auteur van de Fysieke beoordeling X studie, genoemde inelastische neutronenverstrooiingsexperimenten op het 2D-materiaal chroomtrijood bevestigden de oorsprong van de topologische aard van spin-excitaties, magnonen genoemd, die zijn groep en anderen in 2018 in het materiaal ontdekten.

De laatste experimenten van de groep in de Spallation Neutron Source van Oak Ridge National Laboratory (ORNL) toonden aan dat "spin-orbit-koppeling asymmetrische interacties tussen spins induceert" van elektronen in chroomtriiodine, zei Dai. "Als resultaat, de elektronenspins voelen het magnetische veld van bewegende kernen anders aan, en dit beïnvloedt hun topologische excitaties."

In van der Waals materialen, atomair dunne 2D-lagen worden gestapeld als pagina's in een boek. De atomen in lagen zijn stevig met elkaar verbonden, maar de bindingen tussen de lagen zijn zwak. De materialen zijn nuttig voor het onderzoeken van ongebruikelijk elektronisch en magnetisch gedrag. Bijvoorbeeld, een enkele 2D-plaat van chroomtriiodine heeft dezelfde soort magnetische volgorde waardoor magnetische emblemen aan een metalen koelkast blijven kleven. Stapels van drie of meer 2D-lagen hebben ook die magnetische volgorde, die de natuurkunde ferromagnetisch noemt. Maar twee op elkaar gestapelde vellen chroomtriiodine hebben een tegenovergestelde volgorde die antiferromagnetisch wordt genoemd.

Dat vreemde gedrag bracht Dai en collega's ertoe het materiaal te bestuderen. Rijst afgestudeerde student Lebing Chen, de hoofdauteur van deze week Fysieke beoordeling X studie en van de studie van 2018 in hetzelfde tijdschrift, ontwikkelde methoden voor het maken en uitlijnen van vellen chroomtrijodide voor experimenten bij ORNL. Door deze monsters te bombarderen met neutronen en de resulterende spin-excitaties te meten met neutronen time-of-flight spectrometrie, Chen, Dai en collega's kunnen onbekende kenmerken en gedragingen van het materiaal onderscheiden.

In hun eerdere onderzoek de onderzoekers toonden aan dat chroomtri-jodium zijn eigen magnetisch veld maakt dankzij magnonen die zo snel bewegen dat het lijkt alsof ze zonder weerstand bewegen. Dai zei dat de laatste studie verklaart waarom een ​​stapel van twee 2D-lagen van chroomtrijodide een antiferromagnetische orde heeft.

"We hebben bewijs gevonden van een stapelafhankelijke magnetische ordening in het materiaal, Dai zei. Het ontdekken van de oorsprong en de belangrijkste kenmerken van de staat is belangrijk omdat het zou kunnen bestaan ​​in andere 2D van der Waals-magneten.

Andere co-auteurs zijn onder meer Bin Gao van Rice, Jae-Ho Chung van de Universiteit van Korea, Mattheüs Steen, Alexander Kolesnikov, Barry Win, Ovidiu Garlea en Douglas Abernathy van ORNL, en Mathias Augustin en Elton Santos van de Universiteit van Edinburgh.