We kennen allemaal het beeld van elektronen die rond de atoomkern vliegen en chemische bindingen vormen in moleculen en materialen. Maar wat minder bekend is, is dat elektronen een extra unieke eigenschap hebben:spin. Het is moeilijk om een ​​analogie te maken, maar men zou elektronenspin grofweg kunnen omschrijven als een tol die om zijn as draait. Maar wat nog interessanter is, is dat wanneer spins van elektronen op één lijn liggen in een materiaal, dit leidt tot het bekende fenomeen magnetisme.

Een van de meest geavanceerde gebieden in technologie is spintronica, een nog steeds experimentele poging om apparaten te ontwerpen en te bouwen - zoals computers en geheugens - die draaien op elektronenspin in plaats van alleen de beweging van ladingen (die we kennen als elektrische stroom). Maar zulke toepassingen vragen om nieuwe magnetische materialen met nieuwe eigenschappen. Bijvoorbeeld, het zou een enorm voordeel zijn als magnetisme optreedt in een extreem dunne laag materiaal - de zogenaamde tweedimensionale (2-D) materialen die grafeen bevatten, wat in feite een atoomdikke laag grafiet is.

Echter, het vinden van 2D magnetische materialen is een uitdaging. Chroomjodide (CrI ₃ ) onthulde onlangs veel interessante eigenschappen, maar het degradeert snel onder omgevingsomstandigheden en zijn isolerende aard belooft niet veel op het gebied van spintronica-toepassingen, waarvan de meeste metalen en luchtstabiele magnetische materialen vereisen.

Nutsvoorzieningen, de groepen Andras Kis en Oleg Yazyev van EPFL hebben een nieuwe metalen en luchtstabiele 2D-magneet gevonden:platinadiselenide (PtSe ₂ ). De ontdekking werd gedaan door Ahmet Avsar, een postdoc in het lab van Kis, die eigenlijk op zoek was naar iets heel anders.

De ontdekking van magnetisme in PtSe . verklaren ₂ , de onderzoekers gebruikten eerst berekeningen op basis van de dichtheidsfunctionaaltheorie, een methode die de structuur van complexe systemen met veel elektronen modelleert en bestudeert, zoals materialen en nanostructuren. De theoretische analyse toonde aan dat het magnetisme van PtSe ₂ wordt veroorzaakt door de zogenaamde "defecten" op het oppervlak, dat zijn onregelmatigheden in de rangschikking van atomen. "Meer dan een decennium geleden, we vonden een enigszins vergelijkbaar scenario voor defecten in grafeen, maar PtSe ₂ was voor ons een totale verrassing, ", zegt Oleg Yazyev.

De onderzoekers bevestigden de aanwezigheid van magnetisme in het materiaal met een krachtige meettechniek voor magnetoweerstand. Het magnetisme was verrassend, sinds perfect kristallijn PtSe ₂ wordt verondersteld niet-magnetisch te zijn. "Dit is de eerste keer dat defect-geïnduceerd magnetisme in dit soort 2D-materialen wordt waargenomen, ", zegt Andras Kis. "Het breidt het bereik van 2D-ferromagneten uit tot materialen die anders over het hoofd zouden worden gezien door enorme database-mining-technieken."

Een laag PtSe . verwijderen of toevoegen ₂ is genoeg om de manier waarop spins met elkaar praten over lagen heen te veranderen. En wat het nog veelbelovender maakt, is het feit dat zijn magnetisme, zelfs binnen dezelfde laag, kan verder worden gemanipuleerd door strategisch defecten over het oppervlak te plaatsen - een proces dat bekend staat als "defect engineering" dat kan worden bereikt door het oppervlak van het materiaal te bestralen met elektronen- of protonenstralen.

"Dergelijke ultradunne metalen magneten zouden kunnen worden geïntegreerd in de volgende generatie magnetische random-access memory (STT MRAM)-apparaten met spin-transfer koppel", zegt Ahmet Avsar. "2-D-magneten kunnen de kritische stroom verminderen die nodig is om de magnetische polariteit te veranderen, en help ons met verdere miniaturisering. Dit zijn de grote uitdagingen die bedrijven hopen op te lossen."