In de nanowereld magnetisme is echt verrassend gebleken. Magnetische 2D-materialen van slechts enkele atomen dik zouden een substraat kunnen vormen voor steeds kleinere post-siliciumelektronica. Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van Park Je-Geun van het Center for Correlated Electron Systems, binnen het Instituut voor Basiswetenschappen (IBS), heeft zojuist een Perspective Review-paper gepubliceerd in Natuur het presenteren van de nieuwste prestaties en toekomstpotentieel van 2-D magnetische van der Waals (vdW) materialen, die tot zes jaar geleden onbekend waren en recentelijk wereldwijd de aandacht hebben getrokken.

VdW-materialen zijn gemaakt van stapels ultradunne lagen die bij elkaar worden gehouden door zwakke van der Waals-bindingen. Het succes van grafeen - het stermateriaal van vdW - stimuleerde wetenschappers om te zoeken naar andere 2D-kristallen met lagen die kunnen worden veranderd, toegevoegd of verwijderd om nieuwe fysieke eigenschappen te introduceren, zoals magnetisme.

Hoe worden materialen magnetisch?

Elk elektron in een materiaal werkt als een klein kompas met zijn eigen noord- en zuidpool. De oriëntatie van deze "kompasnaalden" bepaalt de magnetisatie. Specifieker, magnetisatie ontstaat door de spin van elektronen (magnetisch moment) en is afhankelijk van de temperatuur. Een ferromagneet, zoals een standaard koelkastmagneet, verkrijgt zijn magnetische eigenschappen onder de magnetische overgangstemperatuur - Curietemperatuur (Tc). Wanneer alle magnetische momenten zijn uitgelijnd, alle "kompasnaalden" wijzen in dezelfde richting. Daarentegen, andere materialen zijn antiferromagnetisch, wat betekent dat onder de overgangstemperatuur - de Neel-temperatuur (TN) genoemd - de "kompasnaalden" in de tegenovergestelde richting wijzen. Voor temperaturen boven Tc of TN, de individuele atoommomenten zijn niet uitgelijnd, en de materialen verliezen hun magnetische eigenschappen.

Echter, de situatie kan drastisch veranderen bij het reduceren van materialen tot de 2-D nanometerschaal. Een ultradun plakje van een koelkastmagneet zal waarschijnlijk andere kenmerken van het hele object vertonen. Dit komt omdat 2D-materialen gevoeliger zijn voor temperatuurschommelingen, die het patroon van goed uitgelijnde "kompasnaalden" kan vernietigen. Bijvoorbeeld, conventionele bulkmagneten, zoals ijzer en nikkel, hebben een veel lagere Tc in 2D dan in 3D. In andere gevallen, het magnetisme in 2-D hangt echt af van de dikte:chroomtrijodide (CrI3) is ferromagnetisch als monolaag, anti-ferromagnetisch als dubbellaag, en weer ferromagnetisch als drielaags. Echter, er zijn andere voorbeelden, zoals ijzertrithiohypofosfaat (FePS3), die opmerkelijk genoeg zijn antiferromagnetische ordening intact houdt tot aan de monolaag.

De sleutel voor het produceren van 2-D magnetische materialen is om hun spin-fluctuaties te temmen. Tweedimensionale materialen met een voorkeursspinrichting (magnetische anisotropie) zijn eerder magnetisch. Anisotropie kan ook kunstmatig worden geïntroduceerd door defecten toe te voegen, magnetische doteermiddelen of door te spelen met de interactie tussen de spin van het elektron en het magnetische veld dat wordt gegenereerd door de beweging van het elektron rond de kern. Echter, dit zijn allemaal technisch uitdagende methoden.

Park legt het uit met een analogie:"Het is alsof je toezicht houdt op een groep rusteloze en zich misdragende kinderen, waarbij elk kind een atomair kompas vertegenwoordigt. Je wilt ze op een rij zetten, maar ze spelen liever. Het is een zware taak, zoals elke kleuterjuf je zou vertellen. Je zou de bewegingen van elk van hen in tijd en ruimte nauwkeurig moeten kennen. En om ze te beheersen, je moet daar en dan reageren, dat is technisch erg moeilijk."

Dankzij 2D magnetische vdW-materialen kunnen verschillende fundamentele vragen worden beantwoord. Vooral, vdW-materialen zijn een testbed om experimenteel bewijs te vinden voor sommige wiskundig-fysische modellen die nog steeds onopgelost zijn. Deze modellen verklaren het magnetische overgangsgedrag in relatie tot de spin. Vooral, het Ising-model beschrijft spins ("kompasnaalden") die naar boven of naar beneden moeten wijzen, loodrecht op het vlak. Met het XY-model kunnen spins naar elke richting op het vlak wijzen, en tenslotte, in het Heisenberg-model, spins kunnen gratis naar een x wijzen, ja, z-richting.

in 2016, IBS-wetenschappers van de groep van prof. Park vonden het eerste experimentele bewijs van de Onsager-oplossing voor het Ising-model. Ze ontdekten dat de Tc van FePS3 118 Kelvin is, of min 155 graden Celsius, zowel in 3D als in 2D. Echter, de XY- en Heisenberg-modellen in 2D zijn meer experimentele barrières tegengekomen, en na 50 jaar nog steeds geen bewijs.

"De ontdekking van grafeen deed me afvragen of ik magnetisme kon introduceren in 2D-materialen vergelijkbaar met grafeen, ", legt Park uit. "Natuurkundigen hebben de uitdaging geërfd om de fysieke eigenschappen van de tweedimensionale wereld te bestuderen en te verklaren. Ondanks het academische belang en de toepasbaarheid, dit gebied is zeer onderontwikkeld, " hij voegt toe.

Wetenschappers zoeken ook graag naar manieren om de magnetische eigenschappen van deze materialen elektrisch te controleren en te manipuleren, optisch en mechanisch. Hun dunheid maakt ze vatbaarder voor externe prikkels. Het is een beperking, maar kan ook een potentieel zijn. Bijvoorbeeld, magnetisme kan ook worden geïnduceerd of afgestemd door spanning, of door de overlappende lagen in een specifiek patroon te plaatsen, bekend als het moirépatroon.

Verwachte toepassingen van magnetische vdW-materialen

Hoewel een aantal fundamentele vragen nog op een antwoord wachten, het controleren en wijzigen van de spins en magnetische structuren van elektronen zal naar verwachting leiden tot verschillende gewenste outputs. Dit Natuur Perspective Review somt mogelijke onderzoeksrichtingen voor de toekomst op.

Een van de meest gewilde toepassingen is het gebruik van spin om informatie op te slaan en te coderen. Gecontroleerde spins kunnen de huidige platters van de harde schijf vervangen, en zelfs de sleutel worden tot quantum computing. Vooral, spintronica heeft tot doel de elektronenspin te beheersen. Tweedimensionale materialen zijn goede kandidaten, omdat ze minder stroom verbruiken in vergelijking met hun 3D-tegenhangers. Een interessante hypothese is om het langetermijngeheugen op te slaan in patronen van georiënteerde magnetische polen, skyrmionen genaamd, in magnetische materialen.

Mogelijk, vdW-materialen kunnen een exotische staat van materie onthullen, zoals kwantumspinvloeistoffen, een hypothetische toestand van materie gekenmerkt door ongeordende "kompasnaalden", zelfs bij extreem lage temperaturen, en verwachtte de ongrijpbare Majorana-fermionen te herbergen, deeltjes die zijn getheoretiseerd, maar nooit waargenomen.

In aanvulling, hoewel supergeleiding en magnetisme niet gemakkelijk in hetzelfde materiaal kunnen worden ondergebracht, sleutelen aan de volgorde van de spins kan nieuwe, onconventionele supergeleiders.

als laatste, hoewel de lijst met vdW-materialen de laatste jaren erg snel is gegroeid, tot nu toe zijn er minder dan 10 magnetische vdW-materialen ontdekt. Engineering meer materialen, vooral materialen die bij kamertemperatuur kunnen worden gebruikt, is ook een belangrijk doel van fysici van de gecondenseerde materie.