I nanovärlden, magnetism har visat sig vara verkligt överraskande. Magnetiska 2D-material som bara är några atomer tjocka skulle kunna utgöra ett substrat för allt mindre elektronik efter kisel. En internationell forskargrupp ledd av Park Je-Geun vid Center for Correlated Electron Systems, inom Institutet för grundvetenskap (IBS), har just publicerat en Perspective Review-uppsats i Natur presenterar de senaste landvinningarna och framtida potentialen för 2-D magnetiska van der Waals (vdW) material, som var okända fram till för sex år sedan och som nyligen har väckt uppmärksamhet över hela världen.

VdW-material är gjorda av högar av ultratunna lager som hålls samman av svaga van der Waals-bindningar. Framgången med grafen – vdW:s stjärnmaterial – stimulerade forskare att leta efter andra 2D-kristaller med lager som kan ändras, läggas till eller tas bort för att introducera nya fysiska egenskaper, som magnetism.

Hur blir material magnetiska?

Varje elektron i ett material fungerar som en liten kompass med sina egna nord- och sydpoler. Orienteringen av dessa "kompassnålar" bestämmer magnetiseringen. Mer specifikt, magnetisering uppstår från elektronernas spinn (magnetiska moment) och beror på temperaturen. En ferromagnet, som en vanlig kylskåpsmagnet, får sina magnetiska egenskaper under den magnetiska övergångstemperaturen - Curie-temperatur (Tc). När alla magnetiska moment är inriktade, alla "kompassnålar" pekar åt samma håll. Däremot andra material är antiferromagnetiska, vilket betyder att under övergångstemperaturen - kallad Neel-temperaturen (TN) - pekar "kompassnålarna" i motsatt riktning. För temperaturer över Tc eller TN, de enskilda atommomenten är inte i linje, och materialen förlorar sina magnetiska egenskaper.

Dock, Situationen kan förändras dramatiskt när material reduceras till 2-D nanometerskalan. En ultratunn skiva av en kylskåpsmagnet kommer förmodligen att visa olika egenskaper från hela objektet. Detta beror på att 2D-material är mer känsliga för temperaturfluktuationer, som kan förstöra mönstret av väljusterade "kompassnålar". Till exempel, konventionella bulkmagneter, som järn och nickel, har en mycket lägre Tc i 2-D än i 3-D. I andra fall, magnetismen i 2-D beror verkligen på tjockleken:Kromtrijodid (CrI3) är ferromagnetisk som monolager, anti-ferromagnetisk som dubbelskikt, och återigen ferromagnetisk som trelager. Dock, det finns andra exempel, som järntritiohypofosfat (FePS3), som anmärkningsvärt håller sin antiferromagnetiska ordning intakt ända ner till monolager.

Nyckeln för att producera 2-D magnetiska material är att tämja deras snurrfluktuationer. Tvådimensionella material med en föredragen spinnriktning (magnetisk anisotropi) är mer benägna att vara magnetiska. Anisotropi kan också introduceras artificiellt genom att lägga till defekter, magnetiska dopämnen eller genom att leka med interaktionen mellan elektronens spinn och det magnetfält som genereras av elektronens rörelse runt kärnan. Dock, dessa är alla tekniskt utmanande metoder.

Park förklarar det med en analogi:"Det är som att övervaka en grupp rastlösa och misskötta barn, där varje barn representerar en atomkompass. Du vill rada dem, men de leker hellre. Det är en svår uppgift, som vilken dagislärare som helst skulle säga till dig. Du skulle behöva veta exakt var och en av dems rörelser i tid och rum. Och för att kontrollera dem, du måste svara där och då, vilket är tekniskt mycket svårt."

Flera grundläggande frågor kan besvaras tack vare 2-D magnetiska vdW-material. Särskilt, vdW-material är en testbädd för att hitta experimentella bevis för vissa matematisk-fysikaliska modeller som fortfarande är olösta. Dessa modeller förklarar det magnetiska övergångsbeteendet i förhållande till spinnet. Särskilt, Ising-modellen beskriver snurr ("kompassnålar") som är begränsade till att peka antingen uppåt eller nedåt, vinkelrätt mot planet. XY-modellen tillåter snurr att peka i vilken riktning som helst på planet, och slutligen, i Heisenberg-modellen, snurr är gratis att peka i valfritt x, y, z-riktning.

2016, IBS-forskare i Prof. Parks grupp hittade det första experimentella beviset på Onsager-lösningen för Ising-modellen. De fann att FePS3:s Tc är 118 Kelvin, eller minus 155 grader Celsius, i både 3D och 2D. Dock, XY- och Heisenberg-modellerna i 2-D har stött på fler experimentella barriärer, och saknar fortfarande bevis efter 50 år.

"Upptäckten av grafen fick mig att undra om jag kunde introducera magnetism till 2D-material som liknar grafen, " förklarar Park. "Fysiker har ärvt utmaningen att studera och förklara de fysiska egenskaperna hos den tvådimensionella världen. Trots sin akademiska betydelse och tillämpbarhet, detta område är mycket underutforskat, " han lägger till.

Forskare är också angelägna om att utforska sätt att kontrollera och manipulera de magnetiska egenskaperna hos dessa material elektriskt, optiskt och mekaniskt. Deras smalhet gör dem mer mottagliga för yttre stimuli. Det är en begränsning, men kan också vara en potential. Till exempel, magnetism kan också induceras eller trimmas av påkänning, eller genom att arrangera de överlappande lagren i ett specifikt mönster, känt som moirémönstret.

Förväntade tillämpningar av magnetiska vdW-material

Även om flera grundläggande frågor fortfarande väntar på svar, att kontrollera och modifiera elektronernas spinn och magnetiska strukturer förväntas leda till flera önskvärda utsignaler. Detta Natur Perspective Review listar möjliga forskningsriktningar för framtiden.

En av de mest eftertraktade applikationerna är användningen av spin för att lagra och koda information. Kontrollerade snurr kan ersätta nuvarande hårddiskplattor, och till och med bli nyckeln till kvantberäkning. Särskilt, spintronics syftar till att kontrollera elektronspin. Tvådimensionella material är bra kandidater, eftersom de skulle kräva mindre strömförbrukning jämfört med sina 3D-motsvarigheter. En intressant hypotes är att lagra långtidsminnet i orienterade magnetiska polmönster som kallas skyrmioner i magnetiska material.

Potentiellt, vdW-material kan avslöja något exotiskt tillstånd av materia, som quantum spin-vätskor, ett hypotetiskt tillstånd av materia som kännetecknas av oordnade "kompassnålar" även vid extremt låga temperaturer, och förväntas hysa de svårfångade Majorana-fermionerna, partiklar som har teoretiserats, men aldrig observerat.

Dessutom, även om supraledning och magnetism inte lätt kan rymmas i samma material, att mixtra med snurrorder kan ge nya, okonventionella supraledare.

Slutligen, även om listan över vdW-material har vuxit mycket snabbt de senaste åren, mindre än 10 magnetiska vdW-material har upptäckts hittills. Konstruera mer material, speciellt material som kan användas i rumstemperatur, är också ett viktigt mål för fysiker med kondenserad materia.