Alla element finns till att börja med, så att säga; det är bara att ta reda på vad de kan - ensamma eller tillsammans. För Leslie Schoops lab, en ny sådan undersökning har avslöjat en skiktad förening med en trio egenskaper som tidigare inte är kända för att existera i ett material.

Med ett internationellt tvärvetenskapligt team, Schoop, biträdande professor i kemi, och postdoktoral forskningsassistent Shiming Lei, publicerade ett papper förra veckan i Vetenskapliga framsteg rapporterar att van der Waals -materialet gadoliniumtritellurid (GdTe3) visar den högsta elektroniska rörligheten bland alla kända lager magnetiska material. Dessutom, den har magnetisk ordning, och kan lätt exfolieras.

Kombinerad, dessa egenskaper gör den till en lovande kandidat för nya områden som magnetiska twistroniska enheter och spintronik, liksom framsteg inom datalagring och enhetsdesign.

Schoop -teamet avslöjade ursprungligen dessa unika egenskaper i början av 2018 strax efter att projektet påbörjats. Deras första framgång var att visa att GdTe3 lätt kan exfolieras till ultratunna flingor under 10 nm. Senare, laget spenderade två år på att förfina renheten hos materialkristallerna till ett tillstånd som bara tjänade till att förstärka resultaten. Laboratoriet har redan skickat ett antal prover till forskare som är angelägna om att utforska hur föreningen passar in i en kategori som tidigare endast var upptagen av svart fosfor och grafit. Hög rörlighet är sällsynt i skiktade material.

Egenskaperna som beskrivs i studien, beskrivs som kvantoscillationer eller "wiggles" som kan mätas, är så uttalade att de observerades utan de speciella sonder och utrustning som vanligtvis finns i nationella laboratorier.

"Vanligtvis, om du ser dessa svängningar, det beror delvis på kvaliteten på ditt prov. Vi satte oss verkligen ner och gjorde de bästa kristallerna möjliga. Under två år förbättrade vi kvaliteten, så att dessa svängningar blev mer och mer dramatiska, "sa Schoop." Men de första proverna visade dem redan, även om vi med de första kristallerna växte visste vi inte exakt vad vi gjorde, "Sa Schoop.

"Det var väldigt spännande för oss. Vi såg dessa resultat av mycket rörliga elektroner i det här materialet som vi inte förväntade oss. Naturligtvis hoppades vi på bra resultat. Men jag förväntade mig inte att det skulle bli lika dramatiskt, "Tillade Schoop.

Lei karakteriserade nyheterna som ett "genombrott" till stor del på grund av den höga rörligheten. "Att lägga till detta material i zoo av 2-D van der Waals-material är som att lägga till en nyupptäckt ingrediens för matlagning, som möjliggör nya smaker och rätter, " han sa.

"Så först, du får ut dessa material. Nästa sak är att identifiera potentialen:vilken funktion har enheten du kan göra av den? Vilken prestanda kan vi ytterligare förbättra som nästa generations material längs denna linje? "

En tritellurid av sällsynt jordart, GdTe3 har en mobilitet över 60, 000 cm2V-1s-1. Detta betyder att om ett fält på en volt per cm appliceras på materialet, elektronerna rör sig med en nettohastighet på 60, 000 cm per sekund. Att jämföra, mobiliteten i andra magnetiska material befinner sig ofta bara vara några hundra cm2V-1s-1.

"Hög rörlighet är viktigt eftersom det betyder att elektroner inuti materialen kan resa med höga hastigheter med minimal spridning, vilket minskar värmeavledningen för alla elektroniska enheter som är byggda av den, sa Lei.

Van der Waals-material-där skikten är bundna av en svag kraft-är moderföreningarna i 2-D-material. Forskare studerar dem för nästa generations tillverkning av apparater och även för användning i twistronics, beskrevs först i vetenskapssamhället för bara några år sedan. Med twistronics, lagren av 2-D-material är feljusterade eller vridna när de ligger ovanpå varandra. Den vettiga felriktningen av kristallgitteret kan förändra elektriska, optiska och mekaniska egenskaper på sätt som kan ge nya möjligheter för applikationer.

Dessutom, det upptäcktes för ungefär 15 år sedan att van der Waals -material kunde exfolieras ner till det tunnaste skiktet genom att använda något så vanligt som scotchtejp. Denna uppenbarelse upphetsade många nya utvecklingar inom fysik. Till sist, 2-D-material avslöjades nyligen för att uppvisa magnetisk ordning, där elektronernas snurr är inriktade mot varandra. Alla "tunna" enheter - hårddiskar, till exempel - är baserade på material som beställer magnetiskt på olika sätt som ger olika effektivitet.

"Vi har hittat det här materialet där elektronerna skjuter igenom som på en motorväg - perfekt, väldigt lätt, snabb, "sade Schoop." Att ha denna magnetiska ordning utöver och möjligheten att gå till två dimensioner är bara något som var unikt nytt för detta material. "

Resultaten av studien visar starkt för Schoops unga lab, grundades för drygt två år sedan. De är en produkt av ett samarbete med Princeton Center for Complex Materials, ett NSF-finansierat materialforskningscentrum för vetenskap och teknik, och medförfattare Nai Phuan Ong, Sanfeng Wu, och Ali Yazdani, alla fakulteter med Princetons fysiska institution.

För att fullt ut förstå de elektroniska och magnetiska egenskaperna hos GdTe3, laget samarbetade också med Boston College för exfolieringstester, och Argonne National Laboratory och Max Planck Institute for Solid State Research för att förstå materialets elektroniska struktur med hjälp av synkrotonstrålning.

Ur ett bredare perspektiv, det som tillfredsställde Schoop mest med studien var den "kemiska intuitionen" som fick laget att börja utredningen med GdTe3 i första hand. De misstänkte att det skulle bli lovande resultat. Men det faktum att GdTe3 gav dem så snabbt och eftertryckligt är ett tecken, sa Schoop, att kemi har betydande bidrag att göra inom området solid state -fysik.

"Vi är en grupp på kemiavdelningen och vi kom på att detta material borde vara av intresse för mycket mobila elektroner baserade på kemiska principer, "sa Schoop." Vi funderade på hur atomerna var arrangerade i dessa kristaller och hur de skulle vara bundna till varandra, och inte baserat på fysiska medel, som ofta förstår elektronernas energi baserat på Hamiltonians.

"Men vi tog ett helt annat tillvägagångssätt, mycket mer relaterat till att rita bilder, som kemister gör, relaterade till orbitaler och sådana saker, "sa hon." Och vi lyckades med detta tillvägagångssätt. Det är bara ett så unikt och annorlunda tillvägagångssätt när man tänker på spännande material. "