Som Bigfoot och Loch Ness-monstret, kritiska spinnfluktuationer i ett magnetiskt system har inte fångats på film. Till skillnad från sagovarelserna, dessa fluktuationer – som är starkt korrelerade elektronspinmönster – existerar faktiskt, men de är för slumpmässiga och turbulenta för att kunna ses i realtid.

Ett Cornell-team utvecklade en ny bildteknik som är tillräckligt snabb och känslig för att observera dessa svårfångade kritiska fluktuationer i tvådimensionella magneter. Denna realtidsavbildning tillåter forskare att kontrollera fluktuationerna och byta magnetism via en "passiv" mekanism som så småningom kan leda till mer energieffektiva magnetiska lagringsenheter.

Radikalt samarbete

Lagets tidning, "Avbildning och kontroll av kritiska fluktuationer i tvådimensionella magneter, " publicerad 8 juni i Naturmaterial .

Tidningens co-senior författare är Kin Fai Mak, docent i fysik vid College of Arts and Sciences, och Jie Shan, professor i tillämpad och teknisk fysik vid Ingenjörshögskolan. Båda forskarna är medlemmar av Kavli-institutet vid Cornell for Nanoscale Science, och de kom till Cornell genom provostens initiativ för Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano). Deras gemensamma labb är specialiserat på fysik av atomärt tunna kvantmaterial.

Magnetiseringsfluktuationer anses vara "kritiska" när de inträffar nära den termodynamiska kritiska punkten, vilket är ögonblicket då en form av materia övergår till en ny fas, ger upphov till alla möjliga ovanliga fenomen. Ett typiskt exempel är järn, som förlorar sina magnetiska egenskaper vid upphettning till extrema temperaturer.

I denna kritiska region, eller regim, fluktuationerna slutar bete sig slumpmässigt och blir istället starkt korrelerade.

"Om du föreställer dig alla luftmolekyler korrelerade, de rör sig tillsammans på en mycket stor skala som vind, "sa Chenhao Jin, en postdoktor vid Kavliinstitutet och tidningens huvudförfattare. "Det är vad som händer när fluktuationen blir korrelerad. Det kan leda till dramatiska effekter i ett system och i vilken skala som helst eftersom korrelationen, i princip, kan gå till oändligheten. Den fluktuation vi tittar på här är snurran, eller magnetiskt moment, fluktuationer."

Dessa kritiska magnetiseringsfluktuationer är svåra att se eftersom de ständigt förändras och förekommer i ett mycket smalt temperaturintervall.

"Fysiker har studerat den magnetiska fasövergången i många decennier, och vi vet att detta fenomen är lättare att observera i ett tvådimensionellt system, " sa Mak. "Vad är mer tvådimensionellt än en magnet som bara har ett enda lager av atomer?"

Att observera en signal från ett enda atomlager ger fortfarande många utmaningar. Forskarna använde en enskikts ferromagnetisk isolator, krombromid, som som ett tvådimensionellt system har en bredare kritisk regim och starkare fluktuationer. För att se dessa fluktuationer i realtid, forskarna behövde en metod som var lika snabb, med en hög rumslig upplösning och bred fältbildsförmåga.

Teamet kunde uppfylla dessa kriterier genom att använda ljus med ett mycket rent polarisationstillstånd för att undersöka monoskiktet och registrera en ren signal från det magnetiska momentet - vilket är magnetens styrka och orientering - när den gör sina spontana fluktuationer.

Möjligheten att fånga detta fenomen i realtid innebär att forskarna kan kontrollera de kritiska fluktuationerna i magneten helt enkelt genom att applicera en liten spänning och låta fluktuationerna växla fram och tillbaka mellan tillstånden. När målet eller värdet har uppnåtts, spänningen kan stängas av. Inget magnetfält behövs för att kontrollera fluktuationerna eftersom de i huvudsak driver sig själva. Detta kan potentiellt leda till skapandet av magnetiska lagringsenheter som förbrukar mycket mindre energi.

"Det är ett fundamentalt annorlunda koncept från aktiv magnetisk tillståndsväxling, eftersom det är helt passivt, ", sa Mak. "Det är en växling baserat på informationen från mätningar, snarare än att aktivt driva systemet. Så det är ett nytt koncept som potentiellt kan spara massor av energi."