Faseovergangen spelen een belangrijke rol in materialen. Echter, in tweedimensionale materialen, de meest bekende daarvan is grafeen, faseovergangen kunnen erg moeilijk te bestuderen zijn. Onderzoekers van de Technische Universiteit Delft en de Universiteit van Valencia hebben een nieuwe methode ontwikkeld die dit probleem helpt oplossen. Ze hingen ultradunne lagen 2-D-materialen over een holte en volgden de resonantiefrequentie van de resulterende membranen met behulp van lasers. De resultaten van hun werk zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Sinds de ontdekking van de uitzonderlijke elektrische en mechanische eigenschappen van grafeen - het allereerste tweedimensionale (2-D) materiaal - trekken lagen met diktes tot op één atoom wetenschappelijke belangstelling. Nieuwe functionaliteiten en fenomenen ontstaan ​​met de recente ontdekkingen van unieke soorten magnetische en elektronische fasen in deze lagen, inclusief supergeleidend, ladingsdichtheidsgolven, 2-D Ising antiferromagnetische en ferromagnetische fasen. Faseovergangen spelen een belangrijke rol in materialen:water is bijvoorbeeld vloeibaar bij kamertemperatuur en bevriest onder nul Celsius, het vormen van een materiaal met totaal andere eigenschappen.

Resonante beweging

In grote steekproeven, er zijn verschillende technieken om deze faseovergang te meten, bijvoorbeeld door de soortelijke warmte te meten die abrupte veranderingen kan vertonen bij de faseovergang. Echter, er zijn slechts enkele methoden beschikbaar om deze overgangen te bestuderen in atomair dunne monsters met een massa van minder dan een picogram. Dit is met name een uitdaging voor ultradunne isolerende antiferromagneten die slechts zwak koppelen aan magnetische en elektronische sondes.

Onderzoekers van de TU Delft hebben nu aangetoond dat deze fasen kunnen worden bestudeerd door te kijken naar de resonerende beweging van membranen gemaakt van deze 2D-materialen. Deze membranen kunnen worden gevormd door een ultradun kristal boven een holte in een substraat te hangen, waardoor een trommel op nanoschaal ontstaat. "We volgen de mechanische resonantiefrequentie van deze membranen met behulp van een rode laser terwijl we ze in beweging brengen op MHz-frequenties door een power-gemoduleerde blauwe laser", onderzoeker Makars Šiškins legt uit

Plotselinge expansie

Toen de onderzoekers membranen van FePS . afkoelden ₃ , NiPS ₃ en MnPS ₃ , ze zagen een plotselinge verandering in hun resonantiefrequentie. Šiškins:"Interessant, deze verandering valt samen met de temperatuur waarbij deze materialen hun magnetische spins antiferromagnetisch ordenen." De correlatie tussen de verandering in resonantiefrequentie en de magnetische orde bij de faseovergangstemperatuur is een gevolg van de plotselinge expansie die optreedt wanneer de magnetische stoornis toeneemt, vergelijkbaar met de faseovergang van vloeistof naar gas. Door deze uitzetting neemt de mechanische spanning in het membraan af, wat resulteert in een verlaging van de resonantiefrequentie, zoals in een gitaarsnaar.

Het nieuwe meetconcept is toepasbaar op een breed scala aan dunne membraansystemen met verschillende faseovergangen, zoals de onderzoekers aantonen door de golfvolgorde van de ladingsdichtheid in TaS . te observeren ₂ . "Om deze reden, we geloven dat ons concept het potentieel heeft om een ​​groot aantal materialen te bestuderen:2-D ferromagneten, dunne 2-D complexe oxidevellen en organische antiferromagneten", zegt Šiškins. "We verwachten dat dit zal leiden tot een beter begrip van thermodynamica en ordeningsmechanismen in tweedimensionale materialen."