De dunste materialen ter wereld zijn slechts één atoom dik. Dit soort tweedimensionale of 2D-materialen, zoals grafeen, waarvan bekend is dat het uit een enkele laag koolstofatomen bestaat, zorgt voor veel opwinding bij onderzoeksteams over de hele wereld. Dit komt omdat deze materialen ongebruikelijke eigenschappen beloven die niet kunnen worden verkregen met driedimensionale materialen. Als gevolg hiervan openen 2D-materialen de deur naar nieuwe toepassingen op gebieden zoals informatie- en weergavetechnologie, maar ook voor kritische componenten in extreem gevoelige sensoren.

Structuren die bekend staan ​​als van-der-Waals-monolagen wekken bijzondere belangstelling. Dit zijn combinaties van twee of meer lagen van verschillende materialen die elk slechts één atoom dik zijn, waarbij de lagen aan elkaar worden gehouden door zwakke elektrostatische van-der-Waalskrachten. Door het type en de volgorde van op deze manier gebonden materiaallagen te selecteren, kunnen specifieke elektrische, magnetische en optische eigenschappen worden gekozen en gewijzigd. Opgeschaalde homogene afzetting van individuele van-der-Waals-lagen met ferromagnetische eigenschappen is echter nog niet bereikt. Toch is juist dit soort magnetisme op grotere schaal van bijzonder belang voor verschillende potentiële toepassingen, zoals bijvoorbeeld voor een nieuwe vorm van niet-vluchtig geheugen.

Wetenschappers van het Max Planck Instituut voor Microstructuurfysica in Halle, Duitsland, de ALBA synchrotron-lichtbron in Barcelona, ​​Spanje, en het Helmholtz-Zentrum Berlijn zijn er nu voor het eerst in geslaagd een uniform tweedimensionaal materiaal te creëren - en een exotisch ferromagnetisch gedrag daarin bekend als "easy-plane" magnetisme.

Een bijna vrij zwevende laag chroom en chloor

De onderzoekers uit Duitsland en Spanje gebruikten chroomchloride (CrCl₃ ) als een materiaal, dat qua structuur lijkt op de overeenkomstige verbinding van chroom en jodium, maar aanzienlijk robuuster kan zijn. Het team in Halle heeft een monoatomaire laag van dit materiaal op macroschaal afgezet op een met grafeen gecoat siliciumcarbidesubstraat met behulp van moleculaire bundelepitaxie. Het doel van het grafeen was om de interactie tussen chroomchloride en siliciumcarbide te verminderen en daarmee te voorkomen dat het substraat de eigenschappen van het monoatomaire CrCl₃ beïnvloedt. laag. Dit was de sleutel om toegang te krijgen tot de ongrijpbare magnetische easy-plane anisotropie", legt Dr. Amilcar Bedoya-Pinto uit, een onderzoeker in de groep van Prof. Stuart Parkin aan het Max Planck Instituut in Halle. "In wezen verkregen we een bijna vrij zwevende, ultradunne laag die alleen door zwakke van-der-Waals-krachten aan de grafeen-tussenlaag was gebonden."

Het doel van het team was om de vraag te beantwoorden hoe de magnetische orde in chroomchloride zich manifesteert wanneer het uit slechts een enkele monoatomaire laag bestaat. In zijn normale driedimensionale vorm is de stof antiferromagnetisch. Als gevolg hiervan zijn de magnetische momenten van de atomen in elke laag in tegengestelde richtingen georiënteerd, waardoor het materiaal in bulk niet-magnetisch lijkt. Theoretische overwegingen suggereerden tot nu toe dat de magnetische ordening verloren gaat of een zwakke conventionele magnetisatie vertoont wanneer het materiaal wordt gereduceerd tot een enkele atomaire laag.

Nauwkeurige metingen in de VEKMAG-faciliteit

Wetenschappers zijn er nu echter in geslaagd dit te weerleggen - door de magnetische eigenschappen van het 2D-materiaal gedetailleerd te bekijken. Hiervoor maakten ze gebruik van de unieke mogelijkheden van de VEKMAG vectormagneetfaciliteit die is geïnstalleerd bij HZB's synchrotronstralingsbron BESSY II. "Hier is het mogelijk om monsters te onderzoeken met zachte röntgenstralen in een sterk magnetisch veld - en bij temperaturen rond het absolute nulpunt", zegt Dr. Florin Radu, hoofd van het team bij HZB dat verantwoordelijk is voor de operaties van de VEKMAG-faciliteit. "Die aspecten maken de faciliteit uniek in de wereld", vult de Berlijnse wetenschapper aan. Het stelde de teamleden uit Halle in staat om de oriëntatie van individuele magnetische momenten te bepalen en om nauwkeurig onderscheid te maken tussen chroom- en chlooratomen.

Tijdens de metingen observeerden de onderzoekers hoe zich ferromagnetische orde vormde in het tweedimensionale materiaal onder een bepaalde temperatuur, de zogenaamde Curie-temperatuur. "In de monoatomaire chroomchloridelaag vond een faseovergangskarakteristiek van easy-plane magneten plaats die nog nooit eerder in zo'n 2D-materiaal was waargenomen", meldt Bedoya-Pinto.

Staartwind voor de ontwikkeling van spintronica

De ontdekking biedt niet alleen nieuwe inzichten in het magnetische gedrag van tweedimensionale materialen. "We hebben nu ook een uitstekend platform voor het verkennen van een verscheidenheid aan fysieke verschijnselen die alleen in tweedimensionale magneten bestaan", zegt Bedoya-Pinto met genoegen, zoals superfluïde (verliesloos) transport van spin, een soort intrinsieke hoekige impuls van elektronen en andere deeltjes. Deze vormen de basis voor een nieuwe vorm van gegevensverwerking die - in tegenstelling tot conventionele elektronica - magnetische momenten gebruikt in plaats van elektrische ladingen. Dit staat bekend als spintronica en zorgt momenteel voor een revolutie in gegevensopslag en informatieverwerking. De nieuwe inzichten die bij de HZB zijn opgedaan, kunnen deze ontwikkeling een impuls geven. + Verder verkennen

Atomaire structuur en magnetisme van 2-D magnetische isolatoren visualiseren