Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har upptäckt en överraskande egenskap hos tvådimensionella (2-D) magneter, en ny klass av material som får stor uppmärksamhet. Deras upptäckt är den första verifieringen av att en signal som länge troddes bero på vibrationer i gittret - själva materialets struktur - faktiskt beror på en våg av elektronsnurr.

Vissa material är sammansatta av lager som samverkar mycket svagt, som gör det möjligt för forskare att dra isär eller isolera enskilda lager och komma åt atomärt tunna (i storleksordningen några nanometer), 2-D ark. Till exempel, grafen var det första 2D-materialet som isolerades från grafit. Ju mer forskare lär sig om dessa 2D-material, ju närmare de är att förverkliga potentiella applikationer, speciellt inom nästa generations elektronik och till och med kvantinformation.

NIST-teamet publicerade sina resultat idag i Fysisk granskning B .

Transistorer är byggstenarna i all modern elektronik, där information lagras och överförs via rörelse av elektroner. Flödet av dessa elektroner resulterar i generering av en betydande mängd uppvärmning, vilket är anledningen till att bärbara datorer blir varma vid långvarig användning.

En möjlighet för att lösa detta värmeproblem är att använda vågor av snurr, kallade magnoner, som informationsbärare i enheter istället för rörliga elektroner. Framtida teknologi baserad på magnoner, eller "magnonics, " skulle då helst fungera med liten eller ingen uppvärmning.

NIST-arbetet lägger grunden för framtida tillämpningar genom att etablera en mätteknik för att studera magnonernas grundläggande fysik. NIST-teamet säger att 2-D-enhetsingenjörer kommer att vara särskilt glada över den höga frekvensen vid vilken magnonen observeras. Detta är viktigt för att bestämma växlingshastigheten i potentiella magnon-baserade enheter (till exempel, enheter som fungerar i THz snarare än i GHz-området).

Ett unikt tillvägagångssätt

Studiet av 2D-material har blomstrat till sin egen gren av den kondenserade materiens fysik, även om det första 2D-materialet, grafen, isolerades först 2004, sa NIST-projektledaren Angela Hight Walker. Dessa material kallas 2-D eftersom de kan vara mikrometer breda, de är extremt tunna – tunna som en enda atom eller 100, 000 gånger mindre än ett människohår. Deras tjocklek i nanometerskala möjliggör mer anpassningsbarhet än 3D-material, där dramatiska skillnader kan ses även mellan ett och två lager av samma material.

"En av de spännande sakerna med att undersöka dessa 2D-material är att det finns så många olika sätt att ställa in dem, "eller kontrollera deras beteende, sa NIST-fysikern Amber McCreary. "Till exempel, eftersom de är så fysiskt flexibla, forskare kan använda stora mängder påfrestningar för att förändra deras egenskaper, vilket är en avstämningsmekanism du inte skulle ha i en tjockare, styvare material."

Att använda 2D-material gör det också möjligt för forskare att skapa heterostrukturer - smörgåsar av tunna material staplade ovanpå varandra lager för lager. Interaktioner mellan de olika lagren skapar också anpassningsbart beteende, till exempel får grafen att bli supraledande när lagren roteras med någon "magisk vinkel" i förhållande till varandra.

Men tills nyligen, ingen trodde att lagermaterial kunde vara magnetiska när du minskar deras storlek ner till 2D-gränsen. Sedan, för bara ett par år sedan, det upptäcktes att några av dem kunde, faktiskt, hålla sitt magnetiska beteende i ett enda lager, och fältet "exploderade av intresse, " sa McCreary.

I kölvattnet av detta genombrott, Hight Walker och McCreary såg omedelbart potentialen att undersöka några av dessa 2-D magnetiska material med deras unika Raman-spektroskopisystem.

Ramanspektroskopi är en teknik som sonderar ett prov med laserljus och sedan mäter hur ljuset sprids av provet, avslöja information om ett 2D-material såsom dess struktur, defekter, doping, antal lager och koppling mellan lagren, och mer. Forskare visualiserar data de samlar in som ett spektrum, en grafisk representation av alla frekvenser som mäts. Ett typiskt spektrum skulle ha toppar som representerar en stark signal vid vissa ljusfrekvenser.

Förutom alla möjligheter med konventionell Raman-spektroskopi, det specialkonstruerade systemet på NIST lägger till möjligheten att samtidigt spåra det spridda ljuset som en funktion av både temperatur (ned till 1,6 K) och magnetfält (upp till 9 Tesla).

NIST-forskarna valde att utforska 2D-magneten FePS3 eftersom dess Raman-spektra förändras dramatiskt när den blir magnetisk vid låga temperaturer. Vid cirka 120 K (cirka -240 grader F), spinnen från varje Fe-atom föredrar att rikta sig mitt emot sin granne; denna konfiguration kallas antiferromagnetisk, i motsats till ferromagnetisk där alla snurr är i linje i samma riktning.

När de utförde sina experiment, de fann att en av topparna i deras Raman-spektra uppförde sig oväntat.

En deckare:Magnon eller Phonon?

Kärnan i detta arbete kräver att man förstår skillnaden mellan två typer av kollektiva excitationer, fononer och magnoner.

Fononer är kvantiserade gittervibrationer i ett material, där ordet kvantiserad används för att betyda att endast vissa vibrationsfrekvenser är tillåtna. I denna animation, du kan se hur denna vibration fortplantar sig genom strukturen av en endimensionell (1D) kedja av atomer, med några atomer som kommer närmare varandra, sedan längre bort, när materialet vibrerar.

Magnons, å andra sidan, involverar inte rörelse av själva atomerna. Istället, magnoner innebär förändringar av en kvantegenskap hos elektroner i atomerna som kallas spin, funktionen som gör magneter magnetiska. Om du tänker på varje atom som en kompass, då är spinn (metaforiskt) kompassens nål. I denna metafor, dock, snurran kan peka både norr (upp) och söder (ned). Animationen nedan visar en tecknad serie av en magnon, vilket kan hända när snurrarna störs av laserljuset. Du kan se hur pilarna har en porlande rörelse som är analog med snurrarna i ett magnetiskt material i denna prov 1D-kedja. Denna excitation av snurren kallas en spinnvåg.

När du mäter Raman-spektrumet av magnetiska material, både fononer och magnoner kan dyka upp som individuella toppar som inte går att särskilja till en början. Det krävs avancerade utredningstekniker, inklusive att studera funktionerna samtidigt som de spårar deras svar på temperatur och magnetfält, att verkligen urskilja de två. Tidigare, forskarsamhället hade identifierat en speciell topp i Raman-spektrumet av FePS3 som en fonon. Men genom att ändra temperaturen och magnetfältets styrka, NIST-teamet upptäckte två udda beteenden.

Först, the frequency change of the peak was larger than expected as a function of temperature. And then when they applied a larger and larger magnetic field, the feature they were tracking surprisingly splits into two peaks.

Neither of these behaviors are expected from a phonon. But they are classic magnon behavior.

"Our study is the first to confirm the presence of a magnon in a 2-D magnet, and our unique experimental capabilities made it possible, " said Thuc Mai, a National Research Council postdoctoral fellow and paper co-author.

Where Do We Go From Here

One of the main takeaways of this work is that other researchers should consider magneto-Raman spectroscopy as a key measurement technique to probe 2-D magnets and other quantum materials, Hight Walker said.

"We know of at least three labs that are adopting similar configurations after hearing us present the details of our unique capabilities, " Hight Walker said. "So it is exciting that people are seeing the promise."

"NIST was the first to leverage our magneto-optical cryostat with such advanced Raman spectroscopy, " said Balázs Sipos, head of customer success at Attocube, a company that develops, produces, and distributes components and systems for nanoscale applications. "We have seen several more labs interested in duplicating their set up to achieve these unique types of measurements."

As new information about these new materials is unraveled, more applications will be realized. Right now, the 2-D magnets are so new that scientists are still diving into the underlying physics. But computing systems based on magnetism instead of electronics could be a potential high-risk, high reward outcome.

"We're doing the groundwork in understanding how optics can be used to study these materials that have been called out as relevant quantum materials for investigation, " Hight Walker said. "As we're beginning to demonstrate, this technique is going to be key for quantum materials metrology."

This story is republished courtesy of NIST. Read the original story here.