Nova vrsta magnetizma, opažena v inženirskem materialu | Revija Quanta

Vsi magneti, s katerimi ste kdaj sodelovali, kot so tchotchke, prilepljene na vrata vašega hladilnika, so magnetni iz istega razloga. Kaj pa, če bi obstajal še en, bolj nenavaden način, kako narediti material magneten?

Leta 1966 si je japonski fizik Yosuke Nagaoka zamislil vrsta magnetizma ki jih proizvaja na videz nenaraven ples elektronov znotraj hipotetičnega materiala. Sedaj je skupina fizikov opazila različico Nagaokinih napovedi, ki se izvaja znotraj izdelanega materiala, debelega le šest atomov.

odkritje, nedavno objavljeno v reviji Naravaoznačuje najnovejši napredek v petdesetletnem lovu na feromagnetizem Nagaoka, pri katerem se material magnetizira, ko elektroni v njem zmanjšajo svojo kinetično energijo, v nasprotju s tradicionalnimi magneti. "Zato delam to vrsto raziskav: naučim se stvari, ki jih prej nismo vedeli, vidim stvari, ki jih še nismo videli," je dejal soavtor študije. Livio Ciorciaro, ki je delo zaključil kot doktorski kandidat na Inštitutu za kvantno elektroniko Švicarskega zveznega inštituta za tehnologijo v Zürichu.

V 2020, raziskovalci so ustvarili feromagnetizem Nagaoka v majhnem sistemu, ki vsebuje le tri elektrone, enem najmanjših možnih sistemov, v katerem se lahko zgodi ta pojav. V novi študiji so Ciorciaro in njegovi kolegi to naredili v razširjenem sistemu - vzorčasti strukturi, imenovani moiré mreža, ki je oblikovana iz dveh nanometrsko tankih listov.

Ta študija je "res kul uporaba teh moiré mrež, ki so razmeroma nove," je dejal Juan Pablo Dehollain, soavtor študije 2020, ki je delo zaključil na Tehnološki univerzi v Delftu. "Ta feromagnetizem gleda na drugačen način."

Ko vaši vzporedni vrtljaji povzročijo začetek polja

Tradicionalni feromagnetizem se pojavi, ker se elektroni ne marajo preveč, zato se nimajo želje po srečanju.

Predstavljajte si dva elektrona, ki sedita drug poleg drugega. Odbijala se bosta, ker imata oba negativen električni naboj. Njihovo stanje z najnižjo energijo jih bo našlo daleč narazen. In sistemi se praviloma usedejo v svoje najnižje energijsko stanje.

Po kvantni mehaniki imajo elektroni še nekaj drugih kritičnih lastnosti. Prvič, obnašajo se manj kot posamezne točke in bolj kot verjetnostni oblaki megle. Drugič, imajo kvantno lastnost, imenovano spin, ki je nekaj podobnega notranjemu magnetu, ki lahko kaže navzgor ali navzdol. In tretjič, dva elektrona ne moreta biti v istem kvantnem stanju.

Posledično bodo elektroni z enakim vrtenjem resnično želeli pobegniti drug od drugega - če so na istem mestu z enakim vrtenjem, tvegajo, da bodo zasedli isto kvantno stanje. Prekrivajoči se elektroni z vzporednimi vrtljaji ostanejo nekoliko dlje narazen, kot bi sicer.

V prisotnosti zunanjega magnetnega polja je lahko ta pojav dovolj močan, da spodbudi vrtljaje elektronov, da se poravnajo kot majhni paličasti magneti in ustvarijo makroskopsko magnetno polje znotraj materiala. Pri kovinah, kot je železo, so te interakcije elektronov, ki se imenujejo izmenjave, tako močne, da je inducirana magnetizacija trajna, dokler se kovina ne segreje preveč.

"Prav razlog, zakaj imamo magnetizem v vsakdanjem življenju, je moč interakcij izmenjave elektronov," je dejal soavtor študije. Ataç İmamoğlu, fizik tudi na Inštitutu za kvantno elektroniko.

Vendar, kot je teoretiziral Nagaoka v šestdesetih letih prejšnjega stoletja, izmenjava interakcij morda ni edini način, da postane material magneten. Nagaoka je zamislil kvadratno, dvodimenzionalno mrežo, kjer ima vsako mesto na mreži samo en elektron. Nato je ugotovil, kaj bi se zgodilo, če bi pod določenimi pogoji odstranili enega od teh elektronov. Ko so preostali elektroni mreže medsebojno delovali, bi luknja, kjer je bil manjkajoči elektron, švigala po mreži.

Po scenariju Nagaoke bi bila celotna energija mreže najnižja, ko bi bili njeni elektronski vrtljaji poravnani. Vsaka elektronska konfiguracija bi bila videti enaka - kot da bi bili elektroni enake ploščice v najbolj dolgočasnem svetu uganka z drsnimi ploščicami. Zaradi teh vzporednih vrtljajev bi bil material feromagneten.

Ko dve mreži z zavojem ustvarita vzorec

İmamoğlu in njegovi kolegi so slutili, da bi lahko ustvarili magnetizem Nagaoka z eksperimentiranjem z enoslojnimi listi atomov, ki bi jih lahko zložili skupaj, da bi oblikovali zapleten vzorec moiré (izgovorjeno mwah-žarek). V atomsko tankih, slojevitih materialih lahko moiré vzorci radikalno spremenijo obnašanje elektronov – in s tem materialov. Na primer, leta 2018 so fizik Pablo Jarillo-Herrero in njegovi sodelavci Dokazano da so dvoslojni nizi grafena pridobili sposobnost superprevodnosti, ko so zasukali obe plasti z zasukom.

Moiré materiali so se od takrat pojavili kot prepričljiv nov sistem za preučevanje magnetizma, vstavljenega poleg oblakov preohlajenih atomov in kompleksnih materialov, kot so kuprati. "Moiré materiali nam nudijo igrišče za, v bistvu, sintezo in preučevanje več telesnih stanj elektronov," je dejal İmamoğlu.

Raziskovalci so začeli s sintetiziranjem materiala iz monoslojev polprevodnikov molibdenovega diselenida in volframovega disulfida, ki spadata v razred materialov, ki pretekle simulacije je namigoval, da lahko kaže magnetizem v slogu Nagaoka. Nato so na material moiré uporabili šibka magnetna polja različnih jakosti, medtem ko so spremljali, koliko vrtljajev elektronov materiala je poravnanih s polji.

Raziskovalci so nato ponovili te meritve, medtem ko so na material uporabili različne napetosti, kar je spremenilo število elektronov v mreži moiréja. Ugotovili so nekaj čudnega. Material je bil bolj nagnjen k poravnavi z zunanjim magnetnim poljem - to je, da se je obnašal bolj feromagnetno - le, če je imel do 50 % več elektronov kot je bilo mrežnih mest. In ko je imela mreža manj elektronov kot mest mreže, raziskovalci niso opazili znakov feromagnetizma. To je bilo nasprotno od tistega, kar bi pričakovali, če bi bil na delu standardni feromagnetizem Nagaoka.

Kljub temu, da se je material magnetiziral, se zdi, da ga niso poganjale izmenjavalne interakcije. Toda najpreprostejše različice Nagaokine teorije tudi niso v celoti razložile njegovih magnetnih lastnosti.

Ko se vaše stvari namagnetijo in ste nekoliko presenečeni

Na koncu je prišlo do gibanja. Elektroni znižujejo svojo kinetično energijo s širjenjem v prostoru, kar lahko povzroči, da se valovna funkcija, ki opisuje kvantno stanje enega elektrona, prekriva s tistimi njegovih sosedov, kar povezuje njihovo usodo. Ko je bilo v materialu ekipe več elektronov v mreži moiréja, kot je bilo mrežnih mest, se je energija materiala zmanjšala, ko so se dodatni elektroni delokalizirali kot megla, prečrpana po odru Broadwaya. Nato so se bežno združili z elektroni v rešetki, da so oblikovali kombinacije dveh elektronov, imenovane dvojniki.

Ti potujoči dodatni elektroni in dvojniki, ki so jih še naprej tvorili, se niso mogli preseliti in razširiti znotraj rešetke, razen če so vsi elektroni v okoliških mrežnih mestih imeli poravnane vrtljaje. Ko je material neusmiljeno sledil svojemu najnižjeenergijskemu stanju, je bil končni rezultat, da so dubloni ponavadi ustvarjali majhna, lokalizirana feromagnetna območja. Do določenega praga, več dvojnikov, ki tečejo skozi mrežo, bolj zaznavno postane material feromagneten.

Bistveno je, da je Nagaoka teoretiziral, da bi ta učinek deloval tudi, če bi imela mreža manj elektronov kot mrežnih mest, česar pa raziskovalci niso opazili. Toda glede na teoretično delo ekipe - objavljeno v Raziskave fizičnega pregleda junija pred eksperimentalnimi rezultati - ta razlika je posledica geometrijskih posebnosti trikotne mreže, ki so jo uporabili v primerjavi s kvadratno v Nagaokovih izračunih.

To je a-Moiré

Kinetičnih feromagnetov ne boste mogli kmalu pritrditi na svoj hladilnik, razen če kuhate na enem najhladnejših krajev v vesolju. Raziskovalci so ocenili feromagnetno obnašanje materiala moiré pri ledenih 140 milikelvinih.

Za İmamoğlu snov kljub temu razkriva vznemirljive nove poti za raziskovanje obnašanja elektronov v trdnih snoveh - in v aplikacijah, o katerih je Nagaoka lahko samo sanjal. V sodelovanju z Eugenom Demlerjem in Ivan Morera Navarro, teoretični fizik na Inštitutu za teoretično fiziko, želi raziskati, ali bi lahko kinetične mehanizme, kot so tisti, ki se igrajo v materialu moiré, uporabili za manipulacijo nabitih delcev v pare, kar bi lahko pokazalo pot do novega mehanizma za superprevodnost.

"Ne trdim, da je to še mogoče," je dejal. "Tja želim iti."