PARK Je-Geun, Biträdande direktör vid Center for Correlated Electron Systems och samarbetspartners har visat det magnetiska beteendet hos en särskild klass av 2-D-material. Detta är det första experimentella beviset på en teori som föreslogs för mer än 70 år sedan. Pappret, beskriver experimentet, publiceras i tidskriften Nano bokstäver .

Nyligen, forskare över hela världen undersöker egenskaper och tillämpningar av extremt tunna 2-D-material, bara en atom-tjock, som grafen. Att studera egenskaperna hos 2-D-material i jämförelse med deras 3D-motsvarigheter väcker många tankeväckande frågor; en av dem gäller magnetiska fasövergångar.

Vissa material är magnetiska på grund av beteendet hos deras elektroners snurr. I enkla termer, snurrar (snurr kvantnummer, eller närmare bestämt deras associerade magnetiska ögonblick), är precis som små magneter, konventionellt visade som pilar. Vid extremt låga temperaturer, dessa snurr tenderar att justeras, sänka elektronernas totala energi. Dock, över en specifik temperatur som varierar från material till material, snurr tappar sin inriktning och blir slumpmässigt orienterade. Liknar hur is förlorar sin inre ordning och blir flytande över en viss temperatur; 3D-magneter tappar också sin magnetisering över en kritisk temperatur. Detta kallas fasövergång och är en ständigt närvarande process i 3D-objekt.

Dock, vad händer med 1D- och 2-D-system vid låga temperaturer? Upplever de en fasövergång? Med andra ord, kommer vi att se en övergång från fast till flytande i en kedja av vattenmolekyler (1D) eller i ett en-atom tjockt vattenark (2-D)?

För ungefär ett sekel sedan, fysikern Wilhelm Lenz bad sin elev Ernst Ising att lösa detta problem för 1D -system. Ising förklarade det 1925 och drog slutsatsen att 1D -material inte har fasövergångar. Sedan, Ising försökte kämpa med samma fråga för en viss typ av 2-D-material. Problemet visade sig vara mycket svårare. Lösningen kom 1943 med tillstånd av Lars Onsager, som fick Nobelpriset för kemi 1968. Faktum är att Onsager fann att materialet, som följer Ising -spinnmodellen, har en fasövergång. Dock, trots den enorma betydelse denna teori har i följande utveckling av hela fysiken för fasövergångar, det har aldrig testats experimentellt med ett riktigt magnetiskt material. "Fysiken i 2-D-system är unik och spännande. Onsager-lösningen lärs ut på varje avancerad statistisk mekanikkurs. Det var där jag lärde mig detta problem. Men när jag upptäckte mycket senare att det inte har testats experimentellt med ett magnetiskt material, Jag tyckte det var synd för experimentister som jag, så det var naturligt för mig att leta efter ett riktigt material för att testa det, "förklarar PARK Je-Geun.

För att bevisa Onsager -modellen, forskargruppen producerade kristaller av järntitiohypofosfat (FePS3) med en teknik som kallas kemisk ångtransport. Kristallerna är gjorda av lager bundna av svaga interaktioner, känd som Van der Waals interaktioner. Lager kan avlägsnas från kristallen med hjälp av skottejp, på samma sätt kan tejpen ta bort färg från en vägg. Forskarna skalade skikten tills de bara hade ett lager FePS3 (2-D) kvar. "Vi kan kalla dessa material för magnetiska Van der Waals-material eller magnetisk grafen:de är magnetiska och de har lätt att klyva Van der Waals-bindningar mellan skikten. De är mycket sällsynta, och deras fysik är fortfarande outforskad, säger professorn.

Även om det finns flera metoder för att mäta de magnetiska egenskaperna hos bulk-3D-material, dessa tekniker har ingen praktisk användning för att mäta magnetiska signaler som kommer från enskiktsmaterial. Därför, laget använde Raman -spektroskopi, en teknik som normalt används för att mäta vibrationer inuti materialet. De använde vibrationer som ett indirekt mått på magnetism, desto fler vibrationer, desto mindre magnetisering.

Parks team och kollegor använde först Raman-spektroskopi på 3-D FePS3-material i bulk vid olika temperaturer och testade sedan FePS3 2-D-monoskikt. "Testet med bulkprovet visade oss att Ramansignalerna kan användas som ett slags fingeravtryck av fasövergången vid temperaturer runt 118 Kelvin, eller minus 155 grader Celsius. Med denna bekräftelse mätte vi sedan monoskiktsprovet och hittade samma mönster, "påpekar Park." Vi drar slutsatsen att 3-D och 2-D FePS3 har samma signatur för fasövergången som är synlig i Raman-spektrumet. "Både i bulkprovet och monoskiktet, FePS3 -snurr beställs (antiferromagnetiska) vid mycket låga temperaturer, och bli störd (paramagnetisk) över 118 grader Kelvin. "Att visa magnetisk fasövergång med detta turné-de-force-experiment är ett vackert test för Onsager-lösningen, "avslutar fysikern.

I framtiden, laget skulle vilja studera andra 2-D övergångsmetallmaterial, går utöver 2-D Ising-spinnmodellen.