För första gången, fysiker vid universitetet i Basel har lyckats mäta de magnetiska egenskaperna hos atomiskt tunna van der Waals -material på nanoskala. De använde diamantkvantsensorer för att bestämma styrkan hos magnetiseringen av enskilda atomlager av materialet kromstriiodid. Dessutom, de hittade en efterlängtad förklaring till materialets ovanliga magnetiska egenskaper. Journalen Vetenskap har publicerat resultaten.

Användningen av atomiskt tunn, tvådimensionella van der Waals-material lovar innovationer inom många områden inom vetenskap och teknik. Forskare runt om i världen utforskar ständigt nya sätt att stapla olika enskilda atomlager och därmed konstruera nya material med unika, framväxande fastigheter.

Dessa supertunna kompositmaterial hålls samman av van der Waals krafter och beter sig ofta annorlunda än bulk kristaller av samma material. Atomiskt tunna van der Waals -material inkluderar isolatorer, halvledare, superledare och några material med magnetiska egenskaper. Deras användning i spintronics eller ultrakompakta magnetiska minnesmedier är mycket lovande.

Den första kvantitativa mätningen av magnetisering

Tills nu, det har inte varit möjligt att bestämma styrkan, anpassning och struktur för dessa magneter kvantitativt eller på nanoskala. Teamet under ledning av Georg-H.-Endress-professor Patrick Maletinsky från Institutionen för fysik och Swiss Nanoscience Institute vid Basel-universitetet har visat att användningen av diamantspetsar dekorerade med enstaka elektronspinn i ett atomkraftmikroskop är idealiskt lämpad för denna typ av studier.

"Vår metod, som använder de enskilda snurrningarna i diamantfärgcentra som sensorer, öppnar upp ett helt nytt område. De magnetiska egenskaperna hos tvådimensionella material kan nu studeras på nanoskala och även kvantitativt. Våra innovativa kvantsensorer är perfekt lämpade för denna komplexa uppgift, säger Maletinsky.

Antalet lager är avgörande

Med hjälp av denna teknik som ursprungligen utvecklades i Basel och som är baserad på ett enda elektronspinn, forskarna samarbetade med forskare från universitetet i Genève för att bestämma de magnetiska egenskaperna hos enskilda atomlager av kromstriiodid (CrI ₃ ). Forskarna kunde således hitta svaret på en viktig vetenskaplig fråga om magnetism av detta material.

Som en tredimensionell, bulk kristall, kromstriiodid är helt magnetiskt ordnad. För få atomlager, dock, endast staplar med ett udda antal atomlager visar en magnetisering som inte är noll. Staplar med ett jämnt antal lager uppvisar ett antiferromagnetiskt beteende; dvs de är inte magnetiserade. Orsaken till denna "jämna/udda-effekt" och avvikelsen till massmaterial var tidigare okänd.

Sila som orsak

Maletinskys team kunde visa att detta fenomen beror på lagrenas specifika atomarrangemang. Under provberedningen, de enskilda kromtriiodidlagren rör sig något mot varandra. Den resulterande påkänningen i gitteret innebär att snurren i på varandra följande lager inte kan riktas in i samma riktning; istället, centrifugeringsriktningen växlar i lagren. Med ett jämnt antal lager, magnetiseringen av skikten avbryts; med ett udda tal, styrkan hos den uppmätta magnetiseringen motsvarar styrkan hos ett enda lager.

Dock, när belastningen i stapeln släpps - till exempel genom att punktera provet - snurr på alla lager kan riktas in i samma riktning, som också observeras i bulk -kristaller. Den magnetiska styrkan för hela stacken överensstämmer sedan med summan av de enskilda lagren.

Det arbete som utförs av Basel-forskarna besvarar därmed inte bara en nyckelfråga om tvådimensionella van der Waals-magneter, det öppnar också intressanta perspektiv på hur deras innovativa kvantsensorer kan användas i framtiden för att studera tvådimensionella magneter för att bidra till utvecklingen av nya elektroniska komponenter.