Forskare har identifierat en ny form av magnetism i så kallad magnetisk grafen, som skulle kunna visa vägen mot att förstå supraledning i denna ovanliga typ av material.

Forskarna, ledd av University of Cambridge, kunde kontrollera ledningsförmågan och magnetismen hos järntiofosfat (FePS ₃ ), ett tvådimensionellt material som genomgår en övergång från en isolator till en metall när det komprimeras. Denna klass av magnetiska material erbjuder nya vägar för att förstå fysiken för nya magnetiska tillstånd och supraledning.

Med hjälp av nya högtryckstekniker, forskarna har visat vad som händer med magnetisk grafen under övergången från isolator till ledare och till dess okonventionella metalliska tillstånd, förverkligas endast under förhållanden med ultrahögt tryck. När materialet blir metalliskt, det förblir magnetiskt, vilket strider mot tidigare resultat och ger ledtrådar om hur den elektriska ledningen i metallfasen fungerar. Den nyligen upptäckta magnetiska högtrycksfasen utgör sannolikt en föregångare till supraledning, så det är viktigt att förstå dess mekanismer.

Deras resultat, publiceras i tidskriften Fysisk granskning X , föreslår också ett sätt att nya material kan konstrueras för att ha kombinerade lednings- och magnetiska egenskaper, som kan vara användbar i utvecklingen av ny teknik som spintronik, som skulle kunna förändra det sätt på vilket datorer bearbetar information.

Materiens egenskaper kan förändras dramatiskt med förändrad dimensionalitet. Till exempel, grafen, kolnanorör, grafit och diamant är alla gjorda av kolatomer, men har väldigt olika egenskaper på grund av deras olika struktur och dimensionalitet.

"Men tänk om du också kunde ändra alla dessa egenskaper genom att lägga till magnetism, " sa första författaren Dr Matthew Coak, som är gemensamt baserad på Cambridges Cavendish Laboratory och University of Warwick. "Ett material som kan vara mekaniskt flexibelt och bilda en ny typ av krets för att lagra information och utföra beräkningar. Det är därför dessa material är så intressanta, och för att de drastiskt förändrar sina egenskaper när de sätts under press så att vi kan kontrollera deras beteende."

I en tidigare studie av Sebastian Haines från Cambridges Cavendish Laboratory och Institutionen för geovetenskaper, forskare konstaterade att materialet blir en metall vid högt tryck, och beskrev hur kristallstrukturen och arrangemanget av atomer i skikten av detta 2D-material förändras genom övergången.

"Den saknade biten finns dock kvar, magnetismen, ", sa Coak. "Utan några experimentella tekniker som kan undersöka magnetismens signaturer i detta material vid så höga tryck, vårt internationella team var tvungen att utveckla och testa våra egna nya tekniker för att göra det möjligt."

Forskarna använde nya tekniker för att mäta den magnetiska strukturen upp till rekordhöga tryck, använda specialdesignade diamantstäd och neutroner för att fungera som magnetismsond. De kunde sedan följa utvecklingen av magnetismen till det metalliska tillståndet.

"Till vår förvåning, vi fann att magnetismen överlever och på något sätt förstärks, " medförfattare Dr. Siddharth Saxena, gruppledare vid Cavendish Laboratory. "Detta är oväntat, eftersom de nyligen fritt strövande elektronerna i ett nyligen ledande material inte längre kan låsas till sina moderjärnatomer, genererar magnetiska moment där - om inte ledningen kommer från en oväntad källa."

I deras tidigare tidning, forskarna visade att dessa elektroner var "frusna" på ett sätt. Men när de fick dem att flyta eller röra sig, de började interagera mer och mer. Magnetismen överlever, men ändras till nya former, ger upphov till nya kvantegenskaper i en ny typ av magnetisk metall.

Hur ett material beter sig, oavsett om det är ledare eller isolator, är mest baserat på hur elektronerna, eller ladda, flytta runt. Dock, elektronernas "snurr" har visat sig vara källan till magnetism. Spinn gör att elektroner beter sig lite som små stångmagneter och pekar en viss väg. Magnetism från arrangemanget av elektronsnurr används i de flesta minnesenheter:att utnyttja och kontrollera det är viktigt för att utveckla ny teknik som spintronik, som skulle kunna förändra det sätt på vilket datorer bearbetar information.

"Kombinationen av de två, laddningen och snurran, är nyckeln till hur detta material beter sig, " sa medförfattaren Dr. David Jarvis från Institut Laue-Langevin, Frankrike, som utförde detta arbete som grund för sin doktorsexamen. studier vid Cavendish Laboratory. "Att hitta den här typen av kvantmultifunktionalitet är ytterligare ett steg framåt i studiet av dessa material."

"Vi vet inte exakt vad som händer på kvantnivå, men samtidigt, vi kan manipulera det, " sa Saxena. "Det är som de berömda 'okända okända':vi har öppnat en ny dörr till egenskaperna hos kvantinformation, men vi vet ännu inte vad dessa egenskaper kan vara."

Det finns fler potentiella kemiska föreningar att syntetisera än som någonsin skulle kunna utforskas och karakteriseras till fullo. Men genom att noggrant välja och ställa in material med speciella egenskaper, det är möjligt att visa vägen mot skapandet av föreningar och system, men utan att behöva utöva enorma mängder tryck.

Dessutom, att få grundläggande förståelse för fenomen som lågdimensionell magnetism och supraledning gör det möjligt för forskare att ta nästa steg inom materialvetenskap och ingenjörskonst, med särskild potential för energieffektivitet, generering och lagring.

När det gäller fallet med magnetisk grafen, forskarna planerar sedan att fortsätta sökandet efter supraledning inom detta unika material. "Nu när vi har en aning om vad som händer med det här materialet vid högt tryck, vi kan göra några förutsägelser om vad som kan hända om vi försöker ställa in dess egenskaper genom att lägga till fria elektroner genom att komprimera den ytterligare, sa Coak.

"Det vi jagar är supraledning, " sa Saxena. "Om vi ​​kan hitta en typ av supraledning som är relaterad till magnetism i ett tvådimensionellt material, det kan ge oss en chans att lösa ett problem som har gått decennier tillbaka."