PARK Je-Geun, Associate Director bij het Center for Correlated Electron Systems en medewerkers hebben het magnetische gedrag van een speciale klasse van 2D-materialen aangetoond. Dit is het eerste experimentele bewijs voor een theorie die meer dan 70 jaar geleden werd voorgesteld. De krant, beschrijving van het experiment, wordt gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters .

Onlangs, wetenschappers over de hele wereld onderzoeken de eigenschappen en toepassingen van extreem dunne 2D-materialen, slechts één atoom dik, zoals grafeen. Het bestuderen van de eigenschappen van 2D-materialen in vergelijking met hun 3D-tegenhangers roept veel tot nadenken stemmende vragen op; een daarvan betreft magnetische faseovergangen.

Sommige materialen zijn magnetisch vanwege het gedrag van de spins van hun elektronen. In simpele termen, spins (spin quantum getallen, of meer precies hun bijbehorende magnetische momenten), zijn net kleine magneten, conventioneel weergegeven als pijlen. Bij extreem lage temperaturen, deze spins hebben de neiging om uit te lijnen, de totale energie van de elektronen verlagen. Echter, boven een specifieke temperatuur die varieert van materiaal tot materiaal, spins verliezen hun uitlijning en worden willekeurig georiënteerd. Vergelijkbaar met hoe ijs zijn interne orde verliest en vloeibaar wordt boven een bepaalde temperatuur; Ook boven een kritische temperatuur verliezen 3D-magneten hun magnetisatie. Dit wordt faseovergang genoemd en is een altijd aanwezig proces in 3D-objecten.

Echter, wat gebeurt er met 1D- en 2D-systemen bij lage temperaturen? Ervaren ze een faseovergang? Met andere woorden, gaan we een overgang van vast naar vloeibaar zien in een keten van watermoleculen (1D) of in een één atoom dik laagje water (2-D)?

Ongeveer een eeuw geleden, de natuurkundige Wilhelm Lenz vroeg zijn leerling Ernst Ising om dit probleem voor 1D-systemen op te lossen. Ising legde het uit in 1925 en concludeerde dat 1D-materialen geen faseovergangen hebben. Vervolgens, Ising probeerde met dezelfde vraag te worstelen voor een bepaald type 2D-materialen. Het probleem bleek veel moeilijker. De oplossing kwam in 1943 met dank aan Lars Onsager, die in 1968 de Nobelprijs voor Scheikunde ontving. Onsager ontdekte dat de materialen, die het spinmodel van Ising volgen, faseovergang hebben. Echter, ondanks het enorme belang dat deze theorie heeft in de volgende ontwikkeling van de hele fysica van faseovergangen, het is nooit experimenteel getest met een echt magnetisch materiaal. "De fysica van 2D-systemen is uniek en opwindend. De Onsager-oplossing wordt gegeven op elke geavanceerde cursus statistische mechanica. Daar heb ik dit probleem geleerd. Maar, toen ik veel later ontdekte dat het niet experimenteel is getest met een magnetisch materiaal, Ik vond het jammer voor experimentatoren zoals ik, dus het was logisch dat ik op zoek ging naar een echt materiaal om het te testen, " legt PARK Je-Geun uit.

Om het Onsager-model te bewijzen, het onderzoeksteam produceerde kristallen van ijzertrithiohypofosfaat (FePS3) met een techniek die chemisch damptransport wordt genoemd. De kristallen zijn gemaakt van lagen gebonden door zwakke interacties, zogenaamde Van der Waals-interacties. Met plakband kunnen lagen van het kristal worden afgepeld, op dezelfde manier kan tape verf van een muur verwijderen. De wetenschappers pelden de lagen af ​​totdat er nog maar één laag FePS3 (2-D) over was. "We kunnen deze materialen magnetische Van der Waals-materialen of magnetische grafeen noemen:ze zijn magnetisch en ze hebben gemakkelijk te splitsen Van der Waals-bindingen tussen lagen. Ze zijn zeer zeldzaam, en hun fysica is nog onontgonnen, ’ zegt de hoogleraar.

Hoewel er verschillende methoden zijn om de magnetische eigenschappen van bulk 3D-materialen te meten, deze technieken hebben geen praktisch nut om magnetische signalen afkomstig van monolaagmaterialen te meten. Daarom, het team gebruikte Raman-spectroscopie, een techniek die normaal gesproken wordt gebruikt om trillingen in het materiaal te meten. Ze gebruikten trillingen als een indirecte maat voor magnetisme, hoe meer trillingen, hoe minder magnetisatie.

Park's team en collega's gebruikten eerst Raman-spectroscopie op bulk 3D FePS3-materiaal bij verschillende temperaturen en testten vervolgens FePS3 2-D monolaag. "De test met het bulkmonster heeft ons laten zien dat de Raman-signalen kunnen worden gebruikt als een soort vingerafdruk van faseovergang bij temperaturen rond 118 Kelvin, of min 155 graden Celsius. Met deze bevestiging hebben we vervolgens het monolaagmonster gemeten en dezelfde patronen gevonden, " wijst Park erop. "We concluderen dat 3D en 2D FePS3 dezelfde signatuur hebben van de faseovergang die zichtbaar is in het Raman-spectrum." Zowel in het bulkmonster als in de monolaag, FePS3' spins zijn geordend (antiferromagnetisch) bij zeer lage temperaturen, en wanordelijk (paramagnetisch) worden boven 118 graden Kelvin. "Het tonen van magnetische faseovergang met dit tour-de-force-experiment is een mooie test voor de Onsager-oplossing, ’ concludeert de natuurkundige.

In de toekomst, het team zou graag andere 2D-transitiemetaalmaterialen willen bestuderen, verder gaan dan het 2D Ising-spinmodel.