Forskere opdager en 2-D magnet

Motor magnético o alinhamento dos ímãs e dos campos magnéticos. (Juli 2019).

Anonim

Magnetiske materialer danner grundlaget for teknologier, der spiller stadig vigtige roller i vores liv i dag, herunder sensing og harddisk datalagring. Men da vores innovative drømme skaber ønsker til stadig mindre og hurtigere enheder søger forskere nye magnetiske materialer, der er mere kompakte, mere effektive og kan styres ved hjælp af præcise og pålidelige metoder.

Et hold ledet af University of Washington og Massachusetts Institute of Technology har for første gang opdaget magnetisme i 2-D-verdenen af ​​monolagere eller materialer, der er dannet af et enkelt atomlag. Resultaterne, udgivet 8. juni i tidsskriftet Nature, viser, at magnetiske egenskaber kan eksistere, selv i 2-D-realm-åbningen, en verden af ​​potentielle anvendelser.

"Det, vi har opdaget her, er et isoleret 2-D-materiale med egen magnetisme, og magnetikken i systemet er meget robust", sagde Xiaodong Xu, en professor i fysik i UW og materialevidenskab og -teknik og medlem af UW's Clean Energi Institut. "Vi forestiller os, at der kan opstå nye informationsteknologier baseret på disse nye 2-D magneter."

Xu og MIT fysikprofessor Pablo Jarillo-Herrero ledede det internationale team af forskere, der viste sig at materialet kromtriiodid, eller CrI3-har magnetiske egenskaber i sin monolagform.

Andre grupper, inklusive medforfatter Michael McGuire ved Oak Ridge National Laboratory, havde tidligere vist, at CrI3-i sin flerlagede, 3-D, bulkkrystalform er ferromagnetisk. I ferromagnetiske materialer justeres "spins" af bestanddele, som er analoge med små subatomære magneter, i samme retning selv uden et eksternt magnetfelt.

Men ingen 3-D magnetiske substans havde tidligere bevaret sine magnetiske egenskaber, når de blev tynder ned til et enkelt atomark. Faktisk kan monolagsmaterialer demonstrere unikke egenskaber, der ikke ses i deres flerlagede, 3-D-former.

"Du kan simpelthen ikke nøjagtigt forudsige, hvad de elektriske, magnetiske, fysiske eller kemiske egenskaber ved en 2-D monolagskrystal vil være baseret på opførelsen af ​​dens 3-D bulk modstykke, " sagde co-lead forfatter og UW doktorand Bevin Huang.

Atomer inden for monolagsmaterialer betragtes som "funktionelt" todimensionale, fordi elektronerne kun kan rejse inden i atomarket, som stykker på et skakbræt.

For at opdage CrI3's egenskaber i sin 2-D form anvendte holdet Scotch tape til at barbere et monolag af CrI3 ud fra den større 3-D krystalform.

"Brug af Scotch tape til at exfoliere et monolag fra dets 3-D bulk krystal er overraskende effektiv, " sagde co-lead forfatter og UW doktorand Genevieve Clark. "Denne enkle, billige teknik blev først brugt til at opnå grafen, 2-D form af grafit, og er blevet brugt succes siden da med andre materialer."

I ferromagnetiske materialer efterlader de justerede spindinger af elektroner en telltale signatur, når en stråle af polariseret lys reflekteres fra materialets overflade. Forskerne opdagede denne signatur i CrI3 ved hjælp af en særlig type mikroskopi. Det er det første endelige tegn på indre ferromagnetisme i et isoleret monolag.

Overraskende, i CrI3 flager, der er to lag tykke, forsvandt den optiske signatur. Dette indikerer, at elektronspinnerne er modsatrettet i overensstemmelse med hinanden, et betegnelse kendt som anti-ferromagnetisk bestilling.

Ferromagnetisme returneres i tre-lags CrI3. Forskerne skal udføre yderligere undersøgelser for at forstå, hvorfor CrI3 viste disse bemærkelsesværdige lagafhængige magnetfaser. Men til Xu er disse blot nogle af de helt unikke egenskaber, der afsløres ved at kombinere monolayere.

"2-D monolagere alene tilbyder spændende muligheder for at studere den drastiske og præcise elektriske styring af magnetiske egenskaber, hvilket har været en udfordring at realisere ved at bruge deres 3-D bulkkrystaller, " sagde Xu. "Men en endnu større mulighed kan opstå, når du stabler monolagere med forskellige fysiske egenskaber sammen. Der kan du få endnu mere eksotiske fænomener, der ikke ses i monolaget alene eller i 3-D-massekrystalet."

Meget af Xu's forskningscentre om at skabe heterostrukturer, som er stabler af to forskellige ultratynde materialer. Ved grænsefladen mellem de to materialer søger hans team efter nye fysiske fænomener eller nye funktioner for at muliggøre potentielle anvendelser inden for databehandling og informationsteknologi.

I et beslægtet forskud førte Xu's forskergruppe, UW-elteknik og fysikprofessor Kai-Mei Fu med et team af kollegaer udgivet et papir den 31 maj i Science Advances, der viser, at en ultratyn form af CrI3, når den stables med et monolayer af wolfram diselenid, skaber en ultraclean "heterostructure" interface med unikke og uventede fotoniske og magnetiske egenskaber.

"Heterostructures holder det største løfte om at realisere nye applikationer inden for databehandling, databaselagring, kommunikation og andre applikationer, vi kan ikke engang forstå, " sagde Xu.

Xu og hans team vil næste gerne undersøge de magnetiske egenskaber, der er unikke for 2-D magneter og heterostrukturer, der indeholder et CrI3 monolag eller dobbeltlag.

menu
menu