Nowy rodzaj magnetyzmu dostrzeżony w materiale inżynieryjnym | Magazyn Quanta

Wszystkie magnesy, z którymi kiedykolwiek miałeś kontakt, takie jak tchotchke przyklejone do drzwi lodówki, są magnetyczne z tego samego powodu. Ale co by było, gdyby istniał inny, dziwniejszy sposób na uczynienie materiału magnetycznym?

W 1966 roku japoński fizyk Yosuke Nagaoka wymyślił rodzaj magnetyzmu wytwarzane przez pozornie nienaturalny taniec elektronów w hipotetycznym materiale. Teraz zespół fizyków zauważył, że wersja przewidywań Nagaoki sprawdza się w sztucznym materiale o grubości zaledwie sześciu atomów.

Odkrycie, ostatnio opublikowane w czasopiśmie Natura, stanowi najnowszy postęp w trwających pięć dekad poszukiwaniach ferromagnetyzmu Nagaoka, w którym materiał magnesuje się, gdy znajdujące się w nim elektrony minimalizują swoją energię kinetyczną, w przeciwieństwie do tradycyjnych magnesów. „Dlatego prowadzę tego rodzaju badania: dowiaduję się rzeczy, o których wcześniej nie wiedzieliśmy, widzę rzeczy, których wcześniej nie widzieliśmy” – powiedział współautor badania Livio Ciorciaro, który ukończył pracę będąc doktorantem w Instytucie Elektroniki Kwantowej w Szwajcarskim Federalnym Instytucie Technologii w Zurychu.

W 2020, badacze stworzyli ferromagnetyzm Nagaoka w maleńkim układzie zawierającym zaledwie trzy elektrony, jednym z najmniejszych możliwych układów, w których może wystąpić to zjawisko. W nowym badaniu Ciorciaro i jego współpracownicy dokonali tego w rozszerzonym systemie – wzorzystej strukturze zwanej siecią mory, utworzonej z dwóch arkuszy o grubości nanometrów.

To badanie „jest naprawdę fajnym zastosowaniem tych siatek mory, które są stosunkowo nowe” – stwierdził Juana Pabla Dehollaina, współautor badania 2020, który zakończył pracę na Politechnice w Delft. „Patrzy na ferromagnetyzm w inny sposób”.

Kiedy Twoje równoległe obroty powodują początek pola

Tradycyjny ferromagnetyzm powstaje, ponieważ elektrony nie bardzo się lubią, więc nie mają ochoty się spotykać.

Wyobraź sobie dwa elektrony siedzące obok siebie. Odpychają się, ponieważ oba mają ujemne ładunki elektryczne. Ich stan najniższej energii sprawi, że będą daleko od siebie. Systemy z reguły przechodzą w stan najniższej energii.

Według mechaniki kwantowej elektrony mają kilka innych krytycznych właściwości. Po pierwsze, zachowują się mniej jak pojedyncze punkty, a bardziej jak probabilistyczne chmury mgły. Po drugie, mają właściwość kwantową zwaną spinem, która przypomina wewnętrzny magnes, który może być skierowany w górę lub w dół. Po trzecie, dwa elektrony nie mogą znajdować się w tym samym stanie kwantowym.

W rezultacie elektrony o tym samym spinie będą naprawdę chciały się od siebie oddalić – jeśli znajdą się w tym samym miejscu i mają ten sam spin, istnieje ryzyko zajęcia tego samego stanu kwantowego. Nakładające się elektrony o równoległych spinach pozostają nieco dalej od siebie niż w innym przypadku.

W obecności zewnętrznego pola magnetycznego zjawisko to może być na tyle silne, że spiny elektronów ustawiają się w szeregu niczym małe magnesy sztabkowe, tworząc makroskopowe pole magnetyczne w materiale. W metalach takich jak żelazo interakcje elektronów, zwane interakcjami wymiennymi, są tak silne, że indukowane namagnesowanie jest trwałe, o ile metal nie jest zbyt mocno nagrzany.

„Powodem, dla którego w naszym codziennym życiu mamy magnetyzm, jest siła oddziaływań związanych z wymianą elektronów” – stwierdził współautor badania Ataç İmamoğlu, fizyk również w Instytucie Elektroniki Kwantowej.

Jednakże, jak teoretyzował Nagaoka w latach sześćdziesiątych XX wieku, interakcje wymienne mogą nie być jedynym sposobem na uczynienie materiału magnetycznym. Nagaoka wyobraził sobie kwadratową, dwuwymiarową siatkę, w której każde miejsce w sieci ma tylko jeden elektron. Następnie obliczył, co by się stało, gdyby w określonych warunkach usunięto jeden z tych elektronów. Gdy pozostałe elektrony sieci oddziaływały, dziura, w której znajdował się brakujący elektron, przemieszczała się wokół sieci.

W scenariuszu Nagaoki całkowita energia sieci byłaby najniższa, gdy wszystkie spiny elektronów byłyby wyrównane. Każda konfiguracja elektronowa wyglądałaby tak samo – jakby elektrony były identycznymi kafelkami w najnudniejszej na świecie przesuwana łamigłówka z płytek. Te równoległe spiny z kolei sprawiłyby, że materiał stałby się ferromagnetyczny.

Kiedy dwie siatki ze skrętem tworzą wzór

İmamoğlu i jego współpracownicy przeczuwali, że mogliby stworzyć magnetyzm Nagaoki, eksperymentując z jednowarstwowymi arkuszami atomów, które można by ułożyć w skomplikowany wzór mory (wymawiane mwah-ray). W atomowo cienkich, warstwowych materiałach wzory mory mogą radykalnie zmienić zachowanie elektronów – a tym samym materiałów. Na przykład w 2018 roku fizyk Pablo Jarillo-Herrero i jego współpracownicy wykazać że dwuwarstwowe stosy grafenu zyskały zdolność do nadprzewodnictwa, gdy przesuną się pomiędzy dwiema warstwami za pomocą skrętu.

Od tego czasu materiały mory wyłoniły się jako nowy, fascynujący system do badania magnetyzmu, umieszczony obok chmur przechłodzonych atomów i złożonych materiałów, takich jak miedziany. „Materiały mory zapewniają nam pole do syntezy i badania wielociałowych stanów elektronów” – powiedział İmamoğlu.

Naukowcy rozpoczęli od syntezy materiału z monowarstw półprzewodników diselenku molibdenu i disiarczku wolframu, które należą do klasy materiałów, które dotychczasowe symulacje sugerował, że może wykazywać magnetyzm w stylu Nagaoki. Następnie zastosowali słabe pola magnetyczne o różnej sile do materiału mory, śledząc, ile spinów elektronów materiału pokrywa się z polami.

Następnie badacze powtórzyli te pomiary, przykładając do materiału różne napięcia, co zmieniało liczbę elektronów w siatce mory. Znaleźli coś dziwnego. Materiał był bardziej podatny na dopasowywanie się do zewnętrznego pola magnetycznego – to znaczy zachowywał się bardziej ferromagnetycznie – tylko wtedy, gdy miał do 50% więcej elektronów niż miejsc w siatce. A kiedy sieć miała mniej elektronów niż miejsca sieci, badacze nie zaobserwowali żadnych oznak ferromagnetyzmu. Było to przeciwieństwo tego, czego oczekiwaliby, gdyby działał standardowy ferromagnetyzm Nagaoka.

Choć materiał magnesował, interakcje wymiany nie wydawały się go napędzać. Jednak najprostsze wersje teorii Nagaoki również nie wyjaśniały w pełni jej właściwości magnetycznych.

Kiedy Twoje rzeczy się namagnesowały i jesteś nieco zaskoczony

Ostatecznie padło na ruch. Elektrony obniżają swoją energię kinetyczną poprzez rozprzestrzenianie się w przestrzeni, co może spowodować, że funkcja falowa opisująca stan kwantowy jednego elektronu nałoży się na funkcje jego sąsiadów, wiążąc ich losy. Z materiału opracowanego przez zespół wynika, że ​​gdy w sieci mory było więcej elektronów niż miejsc w sieci, energia materiału spadła, gdy dodatkowe elektrony uległy delokalizacji niczym mgła pompowana przez scenę na Broadwayu. Następnie na chwilę połączyli się w pary z elektronami w sieci, tworząc kombinacje dwóch elektronów zwane dublonami.

Te wędrowne dodatkowe elektrony i tworzące się przez nie dublony nie mogły się przemieszczać i rozprzestrzeniać w sieci, chyba że wszystkie elektrony w otaczających miejscach sieci miały wyrównane spiny. Ponieważ materiał nieustannie dążył do stanu najniższej energii, efektem końcowym było to, że dublony miały tendencję do tworzenia małych, zlokalizowanych obszarów ferromagnetycznych. Do pewnego progu, im więcej dublonów przepływa przez siatkę, tym bardziej wykrywalny staje się materiał ferromagnetyczny.

Co najważniejsze, Nagaoka wysunął teorię, że efekt ten będzie działał również, gdy sieć będzie miała mniej elektronów niż miejsca w sieci, czego nie zaobserwowali naukowcy. Jednak według prac teoretycznych zespołu — opublikowane w Badania przeglądu fizycznego w czerwcu przed wynikami eksperymentów – różnica ta sprowadza się do dziwactw geometrycznych siatki trójkątnej, której użyli w porównaniu z siatką kwadratową w obliczeniach Nagaoki.

To jest a-Moiré

W najbliższym czasie nie będziesz mógł przymocować ferromagnesów kinetycznych do lodówki, chyba że będziesz gotować w jednym z najzimniejszych miejsc we wszechświecie. Naukowcy ocenili materiał mory pod kątem właściwości ferromagnetycznych przy mroźnym temperaturze 140 milikelwinów.

Niemniej jednak dla İmamoğlu substancja odkrywa nowe, ekscytujące możliwości badania zachowania elektronów w ciałach stałych – w zastosowaniach, o których Nagaoka mogła tylko marzyć. We współpracy z Eugene Demlerem i Iwana Morery Navarro, fizyk teoretyczny w Instytucie Fizyki Teoretycznej, chce zbadać, czy mechanizmy kinetyczne, takie jak te występujące w materiale mory, można wykorzystać do manipulowania naładowanymi cząstkami w celu łączenia się w pary, co potencjalnie wskazuje drogę do nowego mechanizmu nadprzewodnictwa.

„Nie twierdzę, że jest to jeszcze możliwe” – powiedział. „To właśnie tam chcę iść.”