Rice University doktorand Lebing Chen använde en högtemperaturugn för att göra kromtrijodidkristaller som gav 2D-material för experiment vid Oak Ridge National Laboratorys Spallation Neutron Source. Kredit:Jeff Fitlow/Rice University
Risfysiker har bekräftat magnonernas topologiska ursprung, magnetiska egenskaper som de upptäckte för tre år sedan i ett 2D-material som kan visa sig vara användbart för att koda information i elektronernas spinn.
Upptäckten, beskrivs i en studie publicerad online denna vecka i tidskriften American Physical Society Fysisk granskning X , ger en ny förståelse för topologidrivna spinnexcitationer i material som kallas 2D van der Waals-magneter. Materialen är av växande intresse för spintronik, en rörelse inom solid-state electronics community mot teknologier som använder elektronsnurr för att koda information för beräkning, lagring och kommunikation.
Spinn är en inneboende egenskap hos kvantobjekt och elektronernas spinn spelar en nyckelroll för att åstadkomma magnetism.
Risfysikern Pengcheng Dai, motsvarande författare till Fysisk granskning X studie, nämnda oelastiska neutronspridningsexperiment på 2D-materialet kromtrijod bekräftade ursprunget till den topologiska naturen hos spinexcitationer, kallade magnoner, som hans grupp och andra upptäckte i materialet 2018.
Gruppens senaste experiment vid Oak Ridge National Laboratorys (ORNL) Spallation Neutron Source visade att "spin-omloppskoppling inducerar asymmetriska interaktioner mellan spinn" av elektroner i kromtrijod, sa Dai. "Som ett resultat, elektronspinnarna känner magnetfältet för rörliga kärnor annorlunda, och detta påverkar deras topologiska excitationer."
Doktorand Lebing Chen visar kromtrijodidkristaller som han gjorde i ett Rice University-laboratorium. Staplade lager av atomärt tunna 2D-kromtrijodid har ovanliga elektroniska och magnetiska egenskaper som kan visa sig användbara för teknologier som kodar information i elektronernas spinn. Kredit:Jeff Fitlow/Rice University
I van der Waals material, atomärt tunna 2D-lager staplas som sidor i en bok. Atomerna i lagren är tätt bundna, men bindningarna mellan lagren är svaga. Materialet är användbart för att utforska ovanliga elektroniska och magnetiska beteenden. Till exempel, ett enda 2D-ark av kromtrijod har samma typ av magnetisk ordning som gör att magnetiska dekaler fastnar på ett metallkylskåp. Staplar med tre eller fler 2D-lager har också den magnetiska ordningen, som fysiken kallar ferromagnetisk. Men två staplade ark av kromtrijod har en motsatt ordning som kallas antiferromagnetisk.
Det märkliga beteendet fick Dai och kollegor att studera materialet. Rice doktorand Lebing Chen, den här veckans huvudförfattare Fysisk granskning X studie och av 2018 års studie i samma tidskrift, utvecklat metoder för att tillverka och ställa in ark av kromtrijodid för experiment vid ORNL. Genom att bombardera dessa prover med neutroner och mäta de resulterande spinnexcitationerna med neutrontids-spektrometri, Chen, Dai och kollegor kan urskilja okända egenskaper och beteenden hos materialet.
I deras tidigare studie, forskarna visade att kromtrijod skapar sitt eget magnetfält tack vare magnoner som rör sig så snabbt att de känns som om de rör sig utan motstånd. Dai sa att den senaste studien förklarar varför en stapel av två 2D-lager av kromtrijodid har antiferromagnetisk ordning.
"Vi hittade bevis på en stapelberoende magnetisk ordning i materialet, " sa Dai. Att upptäcka statens ursprung och nyckelegenskaper är viktigt eftersom det kan finnas i andra 2D van der Waals-magneter.
Ytterligare medförfattare inkluderar Bin Gao of Rice, Jae-Ho Chung från Korea University, Matthew Stone, Alexander Kolesnikov, Barry Winn, Ovidiu Garlea och Douglas Abernathy från ORNL, och Mathias Augustin och Elton Santos från University of Edinburgh.
