Nieuw soort magnetisme gespot in een technisch materiaal | Quanta-tijdschrift

Alle magneten waarmee u ooit interactie heeft gehad, zoals de tchotchkes die aan de deur van uw koelkast zijn geplakt, zijn om dezelfde reden magnetisch. Maar wat als er een andere, vreemdere manier was om een ​​materiaal magnetisch te maken?

In 1966 bedacht de Japanse natuurkundige Yosuke Nagaoka een soort magnetisme geproduceerd door een schijnbaar onnatuurlijke dans van elektronen binnen een hypothetisch materiaal. Nu heeft een team van natuurkundigen een versie van Nagaoka’s voorspellingen ontdekt die zich afspelen in een technisch materiaal van slechts zes atomen dik.

De ontdekking, onlangs gepubliceerd in het tijdschrift NATUUR, markeert de nieuwste vooruitgang in de vijf decennia durende zoektocht naar Nagaoka-ferromagnetisme, waarbij een materiaal magnetiseert terwijl de elektronen erin hun kinetische energie minimaliseren, in tegenstelling tot traditionele magneten. “Daarom doe ik dit soort onderzoek: ik leer dingen die we nog niet eerder wisten, zie dingen die we nog niet eerder hebben gezien”, zegt co-auteur van het onderzoek. Livio Ciorciaro, die het werk voltooide terwijl hij promovendus was aan het Institute for Quantum Electronics van het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie in Zürich.

In 2020, onderzoekers creëerden Nagaoka-ferromagnetisme in een klein systeem dat slechts drie elektronen bevat, een van de kleinst mogelijke systemen waarin het fenomeen kan optreden. In de nieuwe studie hebben Ciorciaro en zijn collega's dit mogelijk gemaakt in een uitgebreid systeem: een patroonstructuur, een moiré-rooster genoemd, dat is gevormd uit twee nanometer dunne platen.

Deze studie “is een heel cool gebruik van deze moiré-roosters, die relatief nieuw zijn”, aldus Juan Pablo Dehollain, een co-auteur van het onderzoek uit 2020 die het werk aan de Technische Universiteit Delft voltooide. "Het kijkt op een andere manier naar dit ferromagnetisme."

Wanneer uw parallelle spins ervoor zorgen dat een veld begint

Traditioneel ferromagnetisme ontstaat omdat elektronen elkaar niet zo leuk vinden en dus geen behoefte hebben om elkaar te ontmoeten.

Stel je voor dat twee elektronen naast elkaar zitten. Ze stoten elkaar af omdat ze allebei een negatieve elektrische lading hebben. Hun laagste energietoestand zal hen ver uit elkaar plaatsen. En systemen nestelen zich in de regel in hun laagste energietoestand.

Volgens de kwantummechanica hebben elektronen nog een paar andere kritische eigenschappen. Ten eerste gedragen ze zich minder als individuele punten en meer als probabilistische mistwolken. Ten tweede hebben ze een kwantumeigenschap die spin wordt genoemd en die lijkt op een interne magneet die naar boven of naar beneden kan wijzen. En ten derde kunnen twee elektronen zich niet in dezelfde kwantumtoestand bevinden.

Als gevolg hiervan zullen elektronen met dezelfde spin echt van elkaar weg willen. Als ze zich op dezelfde plek bevinden, met dezelfde spin, lopen ze het risico dezelfde kwantumtoestand te bezetten. Overlappende elektronen met parallelle spins blijven iets verder uit elkaar dan anders het geval zou zijn.

In de aanwezigheid van een extern magnetisch veld kan dit fenomeen sterk genoeg zijn om elektronenspins te verleiden om als kleine staafmagneten op één lijn te komen, waardoor een macroscopisch magnetisch veld in het materiaal ontstaat. In metalen zoals ijzer zijn deze elektroneninteracties, die uitwisselingsinteracties worden genoemd, zo krachtig dat de geïnduceerde magnetisatie permanent is, zolang het metaal niet te veel wordt verwarmd.

“De reden dat we magnetisme in ons dagelijks leven hebben, is vanwege de kracht van elektronenuitwisselingsinteracties”, zegt co-auteur van het onderzoek. Atac İmamoğlu, een natuurkundige, eveneens verbonden aan het Institute for Quantum Electronics.

Maar zoals Nagaoka in de jaren zestig theoretiseerde, zijn uitwisselingsinteracties misschien niet de enige manier om een ​​materiaal magnetisch te maken. Nagaoka stelde zich een vierkant, tweedimensionaal rooster voor waarin elke plek op het rooster slechts één elektron had. Vervolgens bedacht hij wat er zou gebeuren als je onder bepaalde omstandigheden een van die elektronen zou verwijderen. Terwijl de resterende elektronen van het rooster op elkaar inwerkten, schoot het gat waar het ontbrekende elektron had gezeten rond het rooster.

In het scenario van Nagaoka zou de totale energie van het rooster het laagst zijn als de elektronenspins allemaal op één lijn lagen. Elke elektronenconfiguratie zou er hetzelfde uitzien – alsof de elektronen identieke tegels in de saaiste ter wereld waren schuiftegelpuzzel. Deze parallelle spins zouden op hun beurt het materiaal ferromagnetisch maken.

Wanneer twee rasters met een twist een patroon laten bestaan

İmamoğlu en zijn collega's hadden het vermoeden dat ze Nagaoka-magnetisme konden creëren door te experimenteren met enkellaagse lagen atomen die op elkaar konden worden gestapeld om een ​​ingewikkeld moiré-patroon te vormen (uitgesproken als mwah-ray). In atomair dunne, gelaagde materialen kunnen moirépatronen de manier waarop elektronen – en dus de materialen – zich gedragen radicaal veranderen. In 2018 bijvoorbeeld de natuurkundige Pablo Jarillo-Herrero en zijn collega's gedemonstreerd dat tweelaagse stapels grafeen het vermogen tot supergeleiding kregen toen ze de twee lagen met een draaiing uit elkaar brachten.

Moiré-materialen zijn sindsdien naar voren gekomen als een aantrekkelijk nieuw systeem om magnetisme te bestuderen, ingebed in wolken van onderkoelde atomen en complexe materialen zoals cuprates. “Moiré-materialen bieden ons een speeltuin voor het synthetiseren en bestuderen van vele lichaamstoestanden van elektronen,” zei İmamoğlu.

De onderzoekers begonnen met het synthetiseren van een materiaal uit monolagen van de halfgeleiders molybdeendiselenide en wolfraamdisulfide, die tot een klasse materialen behoren die simulaties uit het verleden had gesuggereerd dat het magnetisme in Nagaoka-stijl zou kunnen vertonen. Vervolgens pasten ze zwakke magnetische velden van verschillende sterktes toe op het moiré-materiaal, terwijl ze volgden hoeveel van de elektronenspins van het materiaal in lijn waren met de velden.

De onderzoekers herhaalden deze metingen vervolgens terwijl ze verschillende spanningen over het materiaal aanbrachten, waardoor het aantal elektronen in het moirérooster veranderde. Ze hebben iets vreemds gevonden. Het materiaal was alleen gevoeliger voor uitlijning met een extern magnetisch veld – dat wil zeggen, om zich ferromagnetischer te gedragen – als het tot 50% meer elektronen had dan er roosterplaatsen waren. En toen het rooster minder elektronen had dan roosterlocaties, zagen de onderzoekers geen tekenen van ferromagnetisme. Dit was het tegenovergestelde van wat ze hadden verwacht als het standaard ferromagnetisme van Nagaoka aan het werk was geweest.

Hoe magnetiserend het materiaal ook was, uitwisselingsinteracties leken er niet de drijvende kracht achter te zijn. Maar de eenvoudigste versies van Nagaoka’s theorie konden de magnetische eigenschappen ervan ook niet volledig verklaren.

Wanneer je spullen gemagnetiseerd zijn en je enigszins verrast bent

Uiteindelijk kwam het neer op beweging. Elektronen verlagen hun kinetische energie door zich in de ruimte te verspreiden, wat ertoe kan leiden dat de golffunctie die de kwantumtoestand van één elektron beschrijft, overlapt met die van zijn buren, waardoor hun lot aan elkaar wordt gebonden. Toen er in het materiaal van het team meer elektronen in het moirérooster zaten dan er roosterlocaties waren, nam de energie van het materiaal af toen de extra elektronen delokaliseerden zoals mist die over een Broadway-podium werd gepompt. Ze gingen vervolgens vluchtig samen met elektronen in het rooster om twee-elektronencombinaties te vormen die doublons worden genoemd.

Deze rondtrekkende extra elektronen, en de doublons die ze bleven vormen, konden zich niet delocaliseren en verspreiden binnen het rooster, tenzij de elektronen in de omliggende roosterlocaties allemaal uitgelijnde spins hadden. Terwijl het materiaal meedogenloos zijn laagste energietoestand nastreefde, was het eindresultaat dat doublons de neiging hadden kleine, gelokaliseerde ferromagnetische gebieden te creëren. Tot een bepaalde drempel geldt: hoe meer doublons er door een rooster stromen, des te detecteerbaarder ferromagnetisch het materiaal wordt.

Cruciaal was dat Nagaoka theoretiseerde dat dit effect ook zou werken als een rooster minder elektronen had dan roosterlocaties, wat niet was wat de onderzoekers zagen. Maar volgens het theoretische werk van het team – gepubliceerd Fysiek beoordelingsonderzoek in juni voorafgaand aan de experimentele resultaten – dat verschil komt neer op de geometrische eigenaardigheden van het driehoekige rooster dat ze gebruikten versus het vierkante rooster in Nagaoka’s berekeningen.

Dat is a-Moire

Je zult niet snel kinetische ferromagneten op je koelkast kunnen bevestigen, tenzij je kookt op een van de koudste plekken in het universum. Onderzoekers beoordeelden het moiré-materiaal op ferromagnetisch gedrag bij een ijzige 140 millikelvin.

Voor İmamoğlu onthult de stof niettemin opwindende nieuwe wegen voor het onderzoeken van het gedrag van elektronen in vaste stoffen – en in toepassingen waar Nagaoka alleen maar van had kunnen dromen. In samenwerking met Eugene Demler en Ivan Morera Navarro, theoretisch natuurkundigen aan het Instituut voor Theoretische Fysica, wil onderzoeken of kinetische mechanismen zoals die in het moiré-materiaal kunnen worden gebruikt om geladen deeltjes te manipuleren om paren te vormen, wat mogelijk de weg kan wijzen naar een nieuw mechanisme voor supergeleiding.

“Ik zeg niet dat dit al mogelijk is”, zei hij. “Dat is waar ik heen wil.”