Det kanske inte verkar som att ett material så tunt som en atom kan dölja några överraskningar, men en forskargrupp ledd av forskare vid Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) upptäckte en oväntad magnetisk egenskap i ett tvådimensionellt material.

Forskarna fann att en 2-D van der Waals kristall, en del av en materialklass vars atomärt tunna lager kan dras av ett efter ett med tejp, hade en inneboende ferromagnetism.

Upptäckten, publiceras den 26 april i tidskriften Natur , kan få stora konsekvenser för ett brett spektrum av tillämpningar som är beroende av ferromagnetiska material, såsom minne i nanoskala, spintroniska enheter, och magnetiska sensorer.

"Det här är en spännande upptäckt, "sade forskarutredaren Xiang Zhang, senior fakultetsforskare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och professor vid UC Berkeley. "Detta experiment presenterar rökvapenbevis för en atomärt tunn - och atomärt platt - magnet, vilket förvånade många. Det öppnar dörren för att utforska grundläggande spinfysik och spintroniska tillämpningar vid låga dimensioner."

Studien tar upp en långvarig fråga inom kvantfysik om huruvida magnetism skulle överleva när material krymper ner till två dimensioner. I ett halvt sekel, Mermin-Wagner-satsen har behandlat denna fråga genom att säga att om 2-D-material saknar magnetisk anisotropi, en riktad inriktning av elektronspin i materialet, det kanske inte finns någon magnetisk ordning.

"Intressant, vi fann att magnetisk anisotropi är en inneboende egenskap i 2D-materialet vi studerade, och på grund av denna egenskap, vi kunde detektera den inneboende ferromagnetismen, " sa studiens huvudförfattare Cheng Gong, en postdoktor i Zhangs lab.

Van der Waals styrkor, uppkallad efter en holländsk vetenskapsman, hänvisar till intermolekylära attraktionskrafter som inte uppstår från de typiska kovalenta eller jonbindningarna som håller molekylerna intakta. Dessa kvantkrafter används av geckos när de utan ansträngning springer längs väggar och tak.

Van der Waals-kristaller beskriver material där 2-D-skikten inte är anslutna till varandra via traditionella bindningar, så att de enkelt kan exfolieras med tejp. Forskning om grafen, det mest kända van der Waals-materialet, fick Nobelpriset i fysik 2010.

"Det är som sidorna i en bok, " sa Gong. "Sidorna kan staplas ovanpå varandra, men krafterna som länkar en sida till en annan är mycket svagare än krafterna i planet som håller ett enda ark intakt."

Gong uppskattar att för denna studie, han skalade av mer än 3, 000 flingor kromgermaniumtellurid (Cr2Ge2Te6, eller CGT). Medan CGT har funnits som bulkmaterial i decennier, forskarna säger att 2-D-flingorna kan representera en spännande ny familj av 2-D van der Waals-kristaller.

"CGT är också en halvledare, och ferromagnetismen är inneboende, " sa co-senior författare Jing Xia, UC Irvine docent i fysik och astronomi. "Det gör den renare för applikationer inom minne och spintronik."

Forskarna upptäcker magnetisering från atomärt tunna material med hjälp av en teknik som kallas magneto-optisk Kerr-effekt. Metoden innebär superkänslig detektering av rotationen av linjärt polariserat ljus när det interagerar med elektronsnurr i materialet.

Nyckeln till ett av studiens mer överraskande fynd är att den magnetiska anisotropin var mycket liten i CGT-materialet. Det gjorde det möjligt för forskare att enkelt kontrollera temperaturen vid vilken materialet förlorar sin ferromagnetism, känd som övergången eller Curie-temperaturen.

"Detta är en betydande upptäckt, " sa Gong, "Folk tror att Curie-temperaturen är en inneboende egenskap hos ett magnetiskt material och inte kan ändras. Vår studie visar att den kan."

Forskarna visade att de kunde kontrollera övergångstemperaturen för CGT-flingan med hjälp av förvånansvärt små magnetfält på 0,3 tesla eller mindre.

"Tunna filmer av metaller som järn, kobolt, och nickel, till skillnad från 2-D van der Waals material, är strukturellt ofullkomliga och mottagliga för olika störningar, som bidrar till en enorm och oförutsägbar falsk anisotropi, sade Gong. Däremot, den mycket kristallina och enhetligt platta 2-D CGT, tillsammans med dess lilla inneboende anisotropi, tillåter små externa magnetfält att effektivt konstruera anisotropin, möjliggör en aldrig tidigare skådad magnetfältskontroll av ferromagnetiska övergångstemperaturer."

Studieförfattarna påpekade också att en slående egenskap hos van der Waals-kristaller är att de enkelt kan kombineras med olika material utan begränsningar baserat på strukturell eller kemisk kompatibilitet.

"Möjligheterna att kombinera olika material för att utveckla nya funktioner är tilltalande, " sa co-senior författare Steven Louie, senior fakultetsforskare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och professor i fysik vid UC Berkeley. "Detta erbjuder en enorm mängd flexibilitet vid design av konstgjorda strukturer för olika magneto-elektriska och magneto-optiska tillämpningar."