Onderzoekers onder leiding van professor Pablo Jarillo-Herrero van het MIT Department of Physics toonden vorig jaar aan dat roterende lagen van hexagonaal gestructureerd grafeen onder een bepaalde "magische hoek" de elektronische eigenschappen van het materiaal konden veranderen van een isolerende toestand naar een supergeleidende toestand. Nu hebben onderzoekers in dezelfde groep en hun medewerkers aangetoond dat in een ander ultradun materiaal dat ook een honingraatvormige atomaire structuur heeft - chroomtrichloride (CrCl ₃ )—ze kunnen de magnetische eigenschappen van het materiaal veranderen door de stapelvolgorde van lagen te verschuiven.

De onderzoekers pelden tweedimensionale (2-D) lagen chroomtrichloride weg met tape op dezelfde manier als onderzoekers grafeen van grafiet afpellen. Daarna bestudeerden ze de magnetische eigenschappen van 2-D chroomtrichloride met behulp van elektronentunneling. Ze ontdekten dat het magnetisme anders is in 2D- en 3D-kristallen vanwege verschillende stapelarrangementen tussen atomen in aangrenzende lagen.

Bij hoge temperaturen, elk chroomatoom in chroomtrichloride heeft een magnetisch moment dat fluctueert als een kleine kompasnaald. Experimenten tonen aan dat als de temperatuur onder de 14 kelvin (-434,47 graden Fahrenheit) daalt, diep in het cryogene temperatuurbereik, deze magnetische momenten bevriezen in een geordend patroon, wijzend in tegengestelde richtingen in afwisselende lagen (antiferromagnetisme). De magnetische richting van alle lagen chroomtrichloride kan worden uitgelijnd door een magnetisch veld aan te leggen. Maar de onderzoekers ontdekten dat in zijn 2D-vorm, deze uitlijning heeft een magnetische kracht nodig die 10 keer sterker is dan in het 3D-kristal. De resultaten zijn onlangs online gepubliceerd in Natuurfysica .

"Wat we zien is dat het 10 keer moeilijker is om de lagen in de dunne limiet uit te lijnen in vergelijking met de bulk, die we meten met behulp van elektronentunneling in een magnetisch veld, " zegt MIT-student natuurkunde Dahlia R. Klein, een afgestudeerde onderzoeksmedewerker van de National Science Foundation en een van de hoofdauteurs van het artikel. Natuurkundigen noemen de energie die nodig is om de magnetische richting van tegenover elkaar liggende lagen uit te lijnen de wisselwerking tussen de lagen. "Een andere manier om erover na te denken is dat de wisselwerking tussen de lagen is hoeveel de aangrenzende lagen niet uitgelijnd willen zijn, ’ stelt collega-hoofdauteur en MIT-postdoc David MacNeill voor.

De onderzoekers schrijven deze verandering in energie toe aan de iets andere fysieke rangschikking van de atomen in 2-D-chroomchloride. "De chroomatomen vormen in elke laag een honingraatstructuur, dus het stapelt de honingraten op verschillende manieren op, Klein zegt. "Het belangrijkste is dat we bewijzen dat de magnetische en stapelvolgorde in deze materialen zeer sterk met elkaar verbonden zijn."

"Ons werk laat zien hoe de magnetische eigenschappen van 2D-magneten aanzienlijk kunnen verschillen van hun 3D-tegenhangers, ", zegt senior auteur Pablo Jarillo-Herrero, de Cecil en Ida Green hoogleraar natuurkunde. "Dit betekent dat we nu een nieuwe generatie zeer afstembare magnetische materialen hebben, met belangrijke implicaties voor zowel nieuwe fundamentele fysica-experimenten als potentiële toepassingen in spintronica en kwantuminformatietechnologieën."

Lagen zijn zeer zwak gekoppeld in deze materialen, bekend als van der Waals magneten, waardoor het gemakkelijk is om met plakband een laag van het 3D-kristal te verwijderen. "Net als bij grafeen, de bindingen binnen de lagen zijn erg sterk, maar er zijn slechts zeer zwakke interacties tussen aangrenzende lagen, zodat u samples met een paar lagen kunt isoleren met tape, ' zegt Klein.

MacNeill en Klein kweekten de chroomchloridemonsters, gebouwde en geteste nano-elektronische apparaten, en analyseerden hun resultaten. De onderzoekers ontdekten ook dat als chroomtrichloride wordt afgekoeld van kamertemperatuur tot cryogene temperaturen, 3D-kristallen van het materiaal ondergaan een structurele overgang die de 2-D-kristallen niet hebben. Dit structurele verschil verklaart de hogere energie die nodig is om het magnetisme in de 2D-kristallen uit te lijnen.

De onderzoekers maten de stapelvolgorde van 2D-lagen met behulp van Raman-spectroscopie en ontwikkelden een wiskundig model om de energie te verklaren die betrokken is bij het veranderen van de magnetische richting. Mede-auteur en postdoc Daniel T. Larson van Harvard University zegt dat hij een plot van Raman-gegevens heeft geanalyseerd die variaties in pieklocatie liet zien met de rotatie van het chroomtrichloride-monster. vast te stellen dat de variatie werd veroorzaakt door het stapelpatroon van de lagen. "Door gebruik te maken van deze verbinding, Dahlia en David hebben Raman-spectroscopie kunnen gebruiken om details over de kristalstructuur van hun apparaten te leren die anders heel moeilijk te meten zouden zijn, " legt Larson uit. "Ik denk dat deze techniek een zeer nuttige toevoeging zal zijn aan de gereedschapskist voor het bestuderen van ultradunne structuren en apparaten." Afgestudeerde student Materiaalkunde en Engineering Qian Song voerde de Raman-spectroscopie-experimenten uit in het laboratorium van MIT-assistent hoogleraar natuurkunde Riccardo Comin Beiden zijn ook co-auteurs van het artikel.

"Dit onderzoek benadrukt echt het belang van de stapelvolgorde om te begrijpen hoe deze Van der Waals-magneten zich gedragen in de dunne limiet, ' zegt Klein.

MacNeill voegt toe, "De vraag waarom de 2D-kristallen verschillende magnetische eigenschappen hebben, hield ons al lang bezig. We waren erg opgewonden om eindelijk te begrijpen waarom dit gebeurt, en dat komt door de structurele transitie."

Dit werk bouwt voort op twee jaar eerder onderzoek naar 2D-magneten waarin Jarillo-Herrero's groep samenwerkte met onderzoekers van de Universiteit van Washington, onder leiding van professor Xiaodong Xu, die gezamenlijke aanstellingen heeft in de afdelingen Materials Science and Engineering, Natuurkunde, en elektrische en computertechniek, en anderen. Hun werk, die werd gepubliceerd in een Natuur brief in juni 2017, toonde voor het eerst aan dat een ander materiaal met een vergelijkbare kristalstructuur - chroomtrijodide (CrI ₃ ) - gedroeg zich ook anders in de 2D-vorm dan in de bulk, met enkele laagmonsters die antiferromagnetisme vertonen in tegenstelling tot de ferromagnetische 3D-kristallen.

Jarillo-Herrero's groep ging verder in mei 2018 Wetenschap papier dat chroomtrijodide een scherpe verandering in elektrische weerstand vertoonde als reactie op een aangelegd magnetisch veld bij lage temperatuur. Dit werk toonde aan dat elektronentunneling een nuttige sonde is voor het bestuderen van magnetisme van 2D-kristallen. Klein en MacNeill waren ook de eerste auteurs van dit artikel.

Professor Xiaodong Xu van de Universiteit van Washington zegt over de laatste bevindingen:"Het werk presenteert een zeer slimme benadering, namelijk de gecombineerde tunneling metingen met polarisatie opgeloste Raman spectroscopie. De eerste is gevoelig voor het antiferromagnetisme tussen de lagen, terwijl de laatste een gevoelige sonde van kristalsymmetrie is. Deze benadering geeft een nieuwe methode om anderen in de gemeenschap in staat te stellen de magnetische eigenschappen van gelaagde magneten te ontdekken."

"Dit werk is in overleg met verschillende andere recent gepubliceerde werken, " zegt Xu. "Samen, deze werken onthullen de unieke kans die wordt geboden door gelaagde van der Waals-magneten, namelijk engineering magnetische volgorde via controlerende stapelvolgorde. Het is nuttig voor het willekeurig creëren van nieuwe magnetische toestanden, evenals voor mogelijke toepassing in herconfigureerbare magnetische apparaten."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.