Forskare vid Centrum för korrelerade elektronsystem, inom Institute for Basic Science (IBS) i Sydkorea, i samarbete med Sogang University och Seoul National University, rapporterade den första experimentella observationen av ett antiferromagnetiskt material av XY-typ, vars magnetiska ordning blir instabil när den reduceras till en atomtjocklek. Publicerad i Naturkommunikation , dessa fynd överensstämmer med teoretiska förutsägelser som går tillbaka till 1970 -talet.

Dimensionalitet i fysik är ett viktigt begrepp som bestämmer materiens natur. Upptäckten av grafen öppnade dörrarna till 2-D-världen:en plats där tjocklek på en atom eller två atomer gör skillnad. Sedan dess, flera forskare blev intresserade av att experimentera med 2-D-material, inklusive magnetiska material.

Magnetiska material kännetecknas av deras spinnbeteende. Snurr kan justeras parallellt eller parallellt med varandra, resulterar i ferromagneter eller antiferromagneter, respektive. Bortom det, alla materialklasser kan, i princip, tillhör tre olika modeller enligt någon grundläggande förståelse för fysik:Ising, XY eller Heisenberg. XY -modellen förklarar beteendet hos material vars snurr bara rör sig på ett plan bestående av x- och y -axeln.

Spinnbeteende kan dramatiskt förändras när magneten skärs ner till dess tunnaste nivå, eftersom 2-D-material är mer känsliga för temperaturfluktuationer, som kan förstöra mönstret för välinriktade snurr. För nästan 50 år sedan, John M. Kosterlitz och David J. Thouless, och Vadim Berezinskii oberoende av varandra, beskrev teoretiskt att 2-D XY-modeller inte genomgår en normal magnetisk fasövergång vid låga temperaturer, men en mycket ovanlig form, senare kallad BKT -övergång. De insåg att kvantfluktuationer av enskilda snurr är mycket mer störande i 2-D-världen än i 3-D-en, vilket kan leda till att snurr tar ett virvelmönster. Kosterlitz och Thouless fick Nobelpriset i fysik 2016.

Över åren, ferromagnetiska material har analyserats i stor utsträckning, men forskning om antiferromagnetiska material utvecklades inte med samma hastighet. Anledningen är att den senare behöver olika experimentella tekniker. "Trots intresset och de teoretiska grunderna, ingen har någonsin experimenterat med det. Huvudorsaken till detta är att det är mycket svårt att i detalj mäta de magnetiska egenskaperna hos ett så tunt antiferromagnetiskt material, "säger PARK Je-Geun, ledande författare till publikationen.

Forskarna som deltog i denna studie fokuserade på en klass av övergångsmetaller som är lämpliga för att studera antiferromagnetisk ordning i 2-D. Bland dem, nickelfosfortrisulfid (NiPS3) motsvarar XY-typen och är antiferromagnetisk vid låga temperaturer. Det är också ett van der Waals -material, kännetecknas av starka bindningar mellan skikten, och lätt brytbara mellanlagersanslutningar. Som ett resultat, NiPS3 kan beredas i flera lager, med en teknik som kallas kemisk ångavsättning, och sedan exfolieras ner till monoskikt, så att man kan undersöka sambandet mellan magnetisk ordning och antal lager.

Teamet analyserade och jämförde NiPS3 i bulk och som monoskikt med Raman -spektroskopi, en teknik som gör det möjligt att bestämma antalet lager och fysiska egenskaper. De märkte att deras magnetism förändrades beroende på tjockleken:snurrens ordning undertrycks på monoskiktsnivån.

"Det intressanta är den drastiska förändringen mellan tvåskikt och monoskikt. Vid första anblicken det kanske inte är någon större skillnad mellan de två, men effekten av att flytta från två dimensioner till tre dimensioner får deras fysiska egenskaper att vända abrupt, "förklarar Park.

Detta är ett annat exempel på tjockleksberoende magnetiska material. Bland dem, kromstrijodid (CrI ₃ ) är ferromagnetisk som monoskikt, anti-ferromagnetisk som tvåskikt, och tillbaka till ferromagnetisk som trilager. Och i motsats till järntritiohypofosfat (FePS ₃ ), för vilka IBS -forskare från Prof. Parks grupp fann 2016 att den håller sin antiferromagnetiska beställning intakt hela vägen ner till monoskikt.

Gruppen undersöker också Heisenberg -modellen, och nya fenomen som uppstår genom kombinationen av antiferromagnetiska material med andra.