Fononanomalier över magnetiska fasövergångar i MnBi2 Te4 . a Kristallstruktur för MnBi2 Te4 . b Egenförskjutningar av A1g (1) och A1g (2) lägen, med pilar som anger förskjutning av joner. c, d Ramanspektra för A1g (1) (c) och A1g (2) (d) lägen i de paramagnetiska (PM) och antiferromagnetiska (AFM) faserna vid 0 T, visade i rött respektive blått. e, f Ramanspektra för A1g (1) (e) och A1g (2) (f) lägen i AFM och ferromagnetiska (FM) faser vid 5 K, visat i blått respektive lila. g, h Skillnaden mellan spektra i AFM- och FM-faserna. i, j Konturplottar av skillnaden vid subtrahering av 9 T-spektrumet, som en funktion av magnetfältet. De streckade linjerna anger de kritiska fälten för FM och spin-flop. Kredit:Nature Communications (2022). DOI:10.1038/s41467-022-29545-5
Magnetism, en av de äldsta teknikerna som människor känner till, ligger i framkant av nya tidsålders material som kan möjliggöra nästa generations förlustfri elektronik och kvantdatorer. Forskare ledda av Penn State och University of California, San Diego, har upptäckt en ny "ratt" för att kontrollera det magnetiska beteendet hos ett lovande kvantmaterial, och resultaten kan bana väg mot nya, effektiva och ultrasnabba enheter.
"Den unika kvantmekaniska sammansättningen av detta material - manganvismuttellurid - gör att det kan bära förlustfria elektriska strömmar, något av enormt tekniskt intresse", säger Hari Padmanabhan, som ledde forskningen som doktorand vid Penn State. "Vad som gör det här materialet särskilt spännande är att det här beteendet är djupt kopplat till dess magnetiska egenskaper. Så en ratt för att kontrollera magnetism i det här materialet kan också effektivt kontrollera dessa förlustfria strömmar."
Manganvismuttellurid, ett 2D-material gjord av atomärt tunna staplade lager, är ett exempel på en topologisk isolator, exotiska material som samtidigt kan vara isolatorer och ledare av elektricitet, sa forskarna. Viktigt, eftersom detta material också är magnetiskt, kan strömmarna som leds runt dess kanter vara förlustfria, vilket innebär att de inte förlorar energi i form av värme. Att hitta ett sätt att ställa in de svaga magnetiska bindningarna mellan materialets lager kan låsa upp dessa funktioner.
Små vibrationer av atomer, eller fononer, i materialet kan vara ett sätt att uppnå detta, rapporterade forskarna den 8 april i tidskriften Nature Communications .
"Fononer är små atomiska vickningar - atomer som dansar tillsammans i olika mönster, närvarande i alla material," sa Padmanabhan. "Vi visar att dessa atomvickningar potentiellt kan fungera som en ratt för att justera den magnetiska bindningen mellan atomskikten i manganvismuttellurid."
Forskarna vid Penn State studerade materialet med en teknik som kallas magneto-optisk spektroskopi - skjuta en laser på ett prov av materialet och mäta färgen och intensiteten av det reflekterade ljuset, som bär information om atomvibrationerna. Teamet observerade hur vibrationerna förändrades när de ändrade temperaturen och magnetfältet.
När de ändrade magnetfältet observerade forskarna förändringar i fononernas intensitet. Denna effekt beror på fononerna som påverkar den svaga magnetiska bindningen mellan skikten, sa forskarna.
"Genom att använda temperatur och magnetfält för att variera materialets magnetiska struktur - ungefär som att använda en kylskåpsmagnet för att magnetisera en nålkompass - fann vi att fononintensiteterna var starkt korrelerade med den magnetiska strukturen", säger Maxwell Poore, doktorand vid UC San Diego, och medförfattare till studien. "Genom att para ihop dessa fynd med teoretiska beräkningar drog vi slutsatsen att dessa atomvibrationer modifierar den magnetiska bindningen över skikten av detta material."
Forskare vid UC San Diego genomförde experiment för att spåra dessa atomvibrationer i realtid. Fononerna svänger snabbare än en biljon gånger per sekund, många gånger snabbare än moderna datorchips, sa forskarna. En 3,5 gigahertz datorprocessor, till exempel, arbetar med en frekvens på 3,5 miljarder gånger per sekund.
"Det som var vackert med det här resultatet var att vi studerade materialet med olika kompletterande experimentella metoder vid olika institutioner och att de alla anmärkningsvärt konvergerade till samma bild", säger Peter Kim, doktorand vid UC San Diego, och medförfattare till tidningen .
Ytterligare forskning behövs för att direkt använda den magnetiska knappen, sa forskarna. Men om det kan uppnås kan det leda till ultrasnabba enheter som effektivt och reversibelt kan kontrollera förlustfria strömmar.
"En stor utmaning i att göra snabbare, mer kraftfulla elektroniska processorer är att de värms upp", säger Venkatraman Gopalan, professor i materialvetenskap och teknik och fysik vid Penn State, Padmanabhans tidigare rådgivare och medförfattare till tidningen. "Uppvärmning slösar energi. Om vi kunde hitta effektiva sätt att kontrollera material som är värd för förlustfria strömmar, skulle det potentiellt tillåta oss att använda dem i framtida energieffektiva elektroniska enheter." + Utforska vidare
