Nieuw onderzoek naar een atomair dunne halfgeleider laat zien hoe het magnetisme van een materiaal kan worden gecontroleerd met kleine hoeveelheden spanning. Gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie , deze studie biedt belangrijke inzichten voor toepassingen variërend van nieuwe spintronische apparaten tot snellere harde schijven. Dit onderzoek werd uitgevoerd door afgestudeerde student Zhuoliang Ni en geleid door assistent-professor Liang Wu in samenwerking met Penn's Charlie Kane en Eugene Mele, evenals onderzoekers van de Universiteit van Tennessee, Knoxville, Texas A&M-universiteit, de Universiteit van Fribourg, en Oak Ridge National Laboratory.

Het lab van Wu is vooral gericht op experimenten met topologische materialen. Maar, met recente studies over de fotogalvanische effecten van twee metaallegeringen en de ontdekking van exotische deeltjes in kobaltmonosilicide, het laatste artikel van het lab over mangaanfosfortriselenide (MnPSe3), een halfgeleidend materiaal, duikt in concepten rond symmetrie, een fysiek of wiskundig kenmerk van een systeem dat niet verandert wanneer het aan bepaalde transformaties wordt onderworpen. Symmetrie is een sleutelidee in de natuurkunde, van de behoudswetten tot het gedrag van deeltjes, en staat centraal in het begrijpen van materialen die controleerbare, of schakelbaar, magnetische toestanden zoals MnPSe3.

Er zijn verschillende soorten magneten. Voor materialen die ferromagnetisch zijn, elektronen draaien allemaal in dezelfde richting en doordrenken het materiaal met spontaan magnetisme waardoor ze aan bepaalde soorten metalen kunnen hechten. In tegenstelling tot, antiferromagnetische materialen, zoals MnPSe3, een patroon hebben met een gelijk aantal elektronen met op en neergaande spins in een antiparallelle opstelling. Dit heft hun algemene magnetische momenten op, wat betekent dat ze geen extern strooiveld hebben zoals ferromagnetische materialen; echter, ze hebben nog steeds elektronen met verschillende spinoriëntaties.

Bestaande harde schijven zijn afhankelijk van ferromagnetische materialen, waarbij veranderingen in de richting van de spin van het elektron de bits vertegenwoordigen, of de nullen en enen, die het geheugen vormen, maar er is interesse in het ontwikkelen van geheugenapparaten van antiferromagnetische materialen. Bijvoorbeeld, de informatie die is opgeslagen in ferromagnetische apparaten kan verloren gaan als er een ander magnetisch veld aanwezig is. Deze apparaten zijn ook beperkt in hoe snel ze kunnen werken tegen de tijd die nodig is om handmatig een beetje te veranderen, in het nanoseconde bereik. Antiferromagnetische materialen, anderzijds, kunnen veel sneller van draairichting wisselen, in het picoseconde bereik, en zijn ook veel minder gevoelig voor externe magnetische velden.

Maar hoewel antiferromagnetische materialen enkele voordelen hebben, werken met dit soort materiaal, vooral een die tweedimensionaal is, is technisch uitdagend, zegt Wu. Om dit materiaal te bestuderen, Ni en Wu moesten eerst een manier ontwikkelen om minuscule signalen te meten zonder te veel kracht te leveren die het atomair dunne materiaal zou beschadigen. "Door een fotonenteller te gebruiken, we waren in staat om het geluid te verminderen, Wu zegt. "Dat is de technische doorbraak waardoor we het antiferromagnetisme in de monolaag konden detecteren."

Met behulp van hun nieuwe beeldvormingsbenadering, de onderzoekers ontdekten dat ze het materiaal bij lage temperaturen in een antiferromagnetische fase konden "schakelen". Ze ontdekten ook dat het materiaal minder toestanden had, verwant aan de bits die in het computergeheugen worden gebruikt, dan verwacht. De onderzoekers observeerden slechts twee staten, hoewel, gebaseerd op zijn rotatiesymmetrie, er werd voorspeld dat het zes staten zou hebben.

Wu wendde zich tot Kane en Mele om met een theorie te komen die deze onverwachte resultaten zou kunnen verklaren. en door deze samenwerking realiseerde ik me de significante impact die laterale belasting, zoals strekken of scheren, zou kunnen hebben op zijn symmetrie. "Een perfect monster heeft drievoudige rotatiesymmetrie, maar als er iets aan trekt is het niet meer hetzelfde als je het 120° draait, ", zegt Kane. "Toen Liang suggereerde dat er spanning zou kunnen zijn, het was als theoreticus meteen duidelijk dat twee van de zes domeinen moesten worden uitgekozen."

Na vervolgexperimenten die hun hypothese bevestigden, de onderzoekers waren bovendien verbaasd over hoe krachtig een kleine hoeveelheid spanning zou kunnen zijn bij het veranderen van de eigenschappen van het materiaal. "Vroeger, mensen gebruikten spanning om de draairichting te veranderen, maar in ons geval is het belangrijk dat een kleine hoeveelheid spanning de spin kan beheersen, en dat komt omdat de rol van de spanning echt fundamenteel is in de faseovergang in ons geval, "zegt Wu.

Met dit nieuwe inzicht de onderzoekers zeggen dat deze studie een startpunt zou kunnen zijn voor het beter beheersen van antiferromagnetische eigenschappen met behulp van kleine veranderingen in spanning. Spanning is ook een veel gemakkelijkere eigenschap om te controleren in deze klasse van materialen, die momenteel een enorm magnetisch veld nodig hebben - in de orde van enkele tesla - om de spinrichting van het elektron te veranderen en een soort wijzerplaat of knop zou kunnen zijn die de magnetische volgorde zou kunnen veranderen, of het patroon van de spins van het elektron.

"De afwezigheid van verdwaalde velden in antiferromagnetische materialen betekent dat je geen macroscopisch ding hebt dat je kunt gebruiken om het moment te manipuleren, " zegt Melle, "Maar er is een zekere mate van interne vrijheid die je in staat stelt om het te doen door direct te koppelen aan de bestelling."

Om dit materiaal verder te bestuderen, Ni werkt aan verschillende vervolgexperimenten. Dit omvat het kijken of elektrische velden en pulsen de draairichting kunnen veranderen en het evalueren van het gebruik van terahertz-pulsen, de natuurlijke resonantiefrequentie van antiferromagnetische materialen, bij het regelen van zowel de spinrichting van het elektron als de schakelsnelheid. "We kunnen mogelijk terahertz gebruiken om de spins te controleren, " Ni zegt over dit systeem, wat ook een expertiseregime is voor het Wu-lab. "Terahertz is veel sneller dan gigahertz, en voor de antiferromagnetische spins is het mogelijk dat we terahertz kunnen gebruiken om ultrasnel schakelen van de ene toestand naar de andere te regelen."

"Antferromagnetische materialen bieden nieuwe opwindende mogelijkheden voor het creëren van snellere spintronische apparaten voor informatieverwerking, evenals nieuwe manieren voor het efficiënt genereren van terahertz-straling, dat is het deel van het elektromagnetische spectrum voor draadloze communicatie buiten 5G, " zegt Joe Qiu, programmamanager voor Solid-State Electronics and Electromagnetics bij het Army Research Office, die deze studie financierde. "Dit zijn allemaal belangrijke technologieën voor toekomstige elektronische systemen van het leger."