Forskare under ledning av MIT-avdelningen för fysik, professor Pablo Jarillo-Herrero, visade förra året att roterande lager av hexagonalt strukturerad grafen i en viss "magisk vinkel" kan förändra materialets elektroniska egenskaper från ett isolerande tillstånd till ett supraledande tillstånd. Nu har forskare i samma grupp och deras medarbetare visat att det i ett annat ultratunt material som också har en bikakeformad atomstruktur-kromtriklorid (CrCl ₃ ) —De kan ändra materialets magnetiska egenskaper genom att ändra staplingsordningen för lager.

Forskarna skalade bort tvådimensionella (2-D) lager av kromtriklorid med tejp på samma sätt som forskare skalar bort grafen från grafit. Sedan studerade de 2-D kromtriklorids magnetiska egenskaper med hjälp av elektrontunnel. De fann att magnetismen är annorlunda i 2-D och 3-D-kristaller på grund av olika staplingsarrangemang mellan atomer i angränsande lager.

Vid höga temperaturer, varje kromatom i kromtriklorid har ett magnetiskt moment som fluktuerar som en liten kompassnål. Experiment visar att när temperaturen sjunker under 14 kelvin (-434,47 grader Fahrenheit), djupt i det kryogena temperaturområdet, dessa magnetiska ögonblick fryser till ett ordnat mönster, pekar i motsatta riktningar i alternerande lager (antiferromagnetism). Den magnetiska riktningen för alla lager av kromtriklorid kan justeras genom att applicera ett magnetfält. Men forskarna fann att i sin 2-D-form, denna inriktning behöver en magnetisk kraft 10 gånger starkare än i 3D-kristallen. Resultaten publicerades nyligen online i Naturfysik .

"Det vi ser är att det är tio gånger svårare att justera lagren i den tunna gränsen jämfört med massan, som vi mäter med elektrontunnel i ett magnetfält, "säger MIT fysik doktorand Dahlia R. Klein, en forskare vid National Science Foundation och en av tidningens huvudförfattare. Fysiker kallar den energi som krävs för att anpassa den magnetiska riktningen för motsatta lager interaktionsutbytet. "Ett annat sätt att tänka på det är att interskiktsutbytesinteraktionen är hur mycket de intilliggande lagren vill vara anti-inriktade, "föreslår medförfattare och MIT postdoc David MacNeill.

Forskarna tillskriver denna energiförändring till det något annorlunda fysiska arrangemanget av atomerna i 2-D kromklorid. "Kromatomerna bildar en bikakestruktur i varje lager, så det är i princip att stapla honungskakorna på olika sätt, "Klein säger." Det stora är att vi bevisar att de magnetiska och staplingsorderna är mycket starkt kopplade till dessa material. "

"Vårt arbete belyser hur de magnetiska egenskaperna hos 2-D-magneter kan skilja sig väsentligt från deras 3D-motsvarigheter, säger seniorförfattaren Pablo Jarillo-Herrero, Cecil och Ida Green professor i fysik. "Det betyder att vi nu har en ny generation av mycket avstämbara magnetiska material, med viktiga konsekvenser för både nya grundläggande fysikförsök och potentiella tillämpningar inom spintronik och kvantinformationsteknik. "

Skikt är mycket svagt kopplade i dessa material, känd som van der Waals magneter, vilket är det som gör det enkelt att ta bort ett lager från 3D-kristallen med tejp. "Precis som med grafen, bindningarna i lagren är mycket starka, men det finns bara mycket svaga interaktioner mellan intilliggande lager, så att du kan isolera några lager prover med tejp, "Säger Klein.

MacNeill och Klein odlade kromkloridproverna, byggda och testade nanoelektroniska enheter, och analyserade deras resultat. Forskarna fann också att när kromtriklorid kyls från rumstemperatur till kryogena temperaturer, 3D-kristaller av materialet genomgår en strukturell övergång som 2-D-kristallerna inte gör. Denna strukturella skillnad står för den högre energi som krävs för att justera magnetismen i 2-D-kristallerna.

Forskarna mätte staplingsordningen för 2-D-lager genom användning av Raman-spektroskopi och utvecklade en matematisk modell för att förklara energin som är involverad i att ändra magnetriktningen. Medförfattare och Harvard University postdoc Daniel T. Larson säger att han analyserade en plott av Raman-data som visade variationer i toppläge med rotation av kromtrikloridprovet, bestämma att variationen orsakades av staplingsmönstret för skikten. "Utnyttja denna anslutning, Dahlia och David har kunnat använda Raman -spektroskopi för att lära sig detaljer om kristallstrukturen på deras enheter som annars skulle vara mycket svåra att mäta, "Larson förklarar." Jag tror att denna teknik kommer att vara ett mycket användbart komplement till verktygslådan för att studera ultratunna strukturer och enheter. "Institutionen för materialvetenskap och ingenjörsexamen Qian Song genomförde Raman-spektroskopi-experimenten i laboratoriet för MIT-assistenten professor i fysik Riccardo Comin. Båda är också medförfattare till uppsatsen.

"Denna forskning belyser verkligen vikten av att stapla ordning för att förstå hur dessa van der Waals -magneter beter sig i den tunna gränsen, "Säger Klein.

MacNeill tillägger, "Frågan om varför 2-D-kristallerna har olika magnetiska egenskaper hade förbryllat oss länge. Vi var mycket glada över att äntligen förstå varför detta händer, och det är på grund av den strukturella övergången. "

Detta arbete bygger på två års tidigare forskning om 2-D-magneter där Jarillo-Herreros grupp samarbetade med forskare vid University of Washington, ledd av professor Xiaodong Xu, som har gemensamma möten på institutionerna för materialvetenskap och teknik, Fysik, och el- och datorteknik, och andra. Deras arbete, som publicerades i en Natur brev i juni 2017, visade för första gången att ett annat material med en liknande kristallstruktur - kromstrijodid (CrI ₃ )-betedde sig också annorlunda i 2-D-formen än i bulk, med få skiktprover som visar antiferromagnetism till skillnad från de ferromagnetiska 3-D-kristallerna.

Jarillo-Herreros grupp fortsatte att visa i maj 2018 Vetenskap papper som kromstriiodid uppvisade en kraftig förändring i elektrisk motstånd som svar på ett applicerat magnetfält vid låg temperatur. Detta arbete visade att elektrontunnel är en användbar sond för att studera magnetism av 2-D-kristaller. Klein och MacNeill var också de första författarna till detta papper.

University of Washington professor Xiaodong Xu säger om de senaste fynden, "Arbetet presenterar en mycket smart strategi, nämligen de kombinerade tunnelmätningarna med polarisationslöst Raman -spektroskopi. Den förstnämnda är känslig för mellanlagers antiferromagnetism, medan den senare är en känslig sond av kristallsymmetri. Detta tillvägagångssätt ger en ny metod för att låta andra i samhället avslöja magnetiska egenskaper hos skiktade magneter. "

"Detta verk är i samklang med flera andra nyligen publicerade verk, "Säger Xu." Tillsammans, dessa verk avslöjar den unika möjligheten som skiktade van der Waals -magneter ger, nämligen konstruera magnetisk order via styrande staplingsorder. Det är användbart för godtyckligt skapande av nya magnetiska tillstånd, såväl som för potentiell användning i omkonfigurerbara magnetiska enheter. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.