Fasövergångar spelar en viktig roll i material. Dock, i tvådimensionella material, den mest kända av dem är grafen, fasövergångar kan vara mycket svåra att studera. Forskare från Delft University of Technology och University of Valencia har utvecklat en ny metod som hjälper till att lösa detta problem. De suspenderade ultratunna lager av 2-D-material över en kavitet och spårade resonansfrekvensen för de resulterande membranen med hjälp av lasrar. Resultaten av deras arbete har publicerats i Naturkommunikation .

Sedan upptäckten av de exceptionella elektriska och mekaniska egenskaperna hos grafen – det första tvådimensionella (2-D) materialet någonsin – har lager med tjocklek ner till en enda atom väckt vetenskapligt intresse. Nya funktioner och fenomen dyker upp med de senaste upptäckterna av unika typer av magnetiska och elektroniska faser i dessa lager, inklusive supraledning, laddningstäthetsvågor, 2-D Visar antiferromagnetiska och ferromagnetiska faser. Fasövergångar spelar en viktig roll i material:vatten är till exempel en vätska vid rumstemperatur och fryser under noll grader, bildar ett material med helt andra egenskaper.

Resonansrörelse

I stora prover, det finns flera tekniker för att mäta dessa fasövergångar, till exempel genom att mäta den specifika värmen som kan visa plötsliga förändringar vid fasövergången. Dock, endast ett fåtal metoder finns tillgängliga för att studera dessa övergångar i atomärt tunna prover med en massa som är mindre än ett pikogram. Detta är särskilt utmanande för ultratunna isolerande antiferromagneter som endast svagt kopplas till magnetiska och elektroniska sonder.

Forskare vid Delfts tekniska universitet har nu visat att dessa faser kan studeras genom att titta på resonansrörelsen hos membran gjorda av dessa 2D-material. Dessa membran kan bildas genom att suspendera en ultratunn kristall över en kavitet i ett substrat, vilket skapar en trumma i nanoskala. "Vi spårar den mekaniska resonansfrekvensen för dessa membran med hjälp av en röd laser samtidigt som vi för dem i rörelse vid MHz-frekvenser med en effektmodulerad blå laser", forskaren Makars Šiškins förklarar

Plötslig expansion

När forskarna kylde ner membran av FePS ₃ , NiPS ₃ och MnPS ₃ , de observerade en plötslig förändring i deras resonansfrekvens. Šiškins:"Intressant nog, denna förändring sammanfaller med den temperatur vid vilken dessa material ordnar sina magnetiska spinn antiferromagnetiskt." Korrelationen mellan förändringen i resonansfrekvens och den magnetiska ordningen vid fasövergångstemperaturen är en konsekvens av den plötsliga expansionen som uppstår när den magnetiska störningen ökar, liknande fasövergången från vätska till gas. Denna expansion gör att den mekaniska spänningen i membranet minskar, vilket resulterar i en minskning av resonansfrekvensen, som i en gitarrsträng.

Det nya mätkonceptet är tillämpbart på en mängd olika tunna membransystem med olika fasövergångar, som forskarna visar genom att observera laddningstäthetens vågordning i TaS ₂ . "Av denna anledning, vi tror att vårt koncept har potential att användas för att studera ett stort utbud av material:2-D ferromagneter, tunna 2-D komplexa oxidskivor och organiska antiferromagneter", säger Šiškins. "Vi förväntar oss att detta kommer att leda till en bättre förståelse av termodynamik och ordningsmekanismer i tvådimensionella material."