Ny forskning om en atomärt tunn halvledare visar hur ett materials magnetism kan kontrolleras med hjälp av små mängder påkänning. Publicerad i Naturens nanoteknik , denna studie ger viktiga insikter för applikationer, allt från nya spintronic-enheter till snabbare hårddiskar. Denna forskning utfördes av doktoranden Zhuoliang Ni och leddes av biträdande professor Liang Wu i samarbete med Penns Charlie Kane och Eugene Mele, samt forskare från University of Tennessee, Knoxville, Texas A&M University, universitetet i Fribourg, och Oak Ridge National Laboratory.

Wus labb är främst inriktat på experiment med topologiska material. Men, med nya studier om de fotogalvaniska effekterna av två metallegeringar och upptäckten av exotiska partiklar i koboltmonosilicid, labbets senaste uppsats om manganfosfor triselenid (MnPSe3), ett halvledande material, fördjupar sig i begrepp kring symmetri, en fysisk eller matematisk egenskap hos ett system som inte förändras när det utsätts för vissa transformationer. Symmetri är en nyckelidé inom fysiken, från bevarandelagarna till partiklars beteende, och är central för att förstå material som har kontrollerbara, eller omkopplingsbar, magnetiska tillstånd som MnPSe3.

Det finns olika typer av magneter. För material som är ferromagnetiska, elektroner snurrar alla i samma riktning och genomsyrar materialet med spontan magnetism som gör att de kan fästa vid vissa typer av metaller. I kontrast, antiferromagnetiska material, som MnPSe3, har ett mönster med lika många elektroner med upp och ner spinn i ett antiparallellt arrangemang. Detta tar bort deras övergripande magnetiska ögonblick, vilket betyder att de inte har ett externt ströfält som ferromagnetiska material; dock, de har fortfarande elektroner med olika rotationsriktningar.

Befintliga hårddiskar är beroende av ferromagnetiska material, där förändringar i riktningarna för elektronens spin representerar bitarna, eller nollorna och ettorna, som utgör minnet, men det finns intresse för att utveckla minnesenheter från antiferromagnetiska material. Till exempel, informationen som lagras i ferromagnetiska enheter kan gå förlorad om det finns ett annat magnetfält närvarande. Dessa enheter är också begränsade i hur snabbt de kan fungera av den tid det tar att manuellt ändra lite, i nanosekundintervallet. Antiferromagnetiska material, å andra sidan, kan ändra sin spinnriktning mycket snabbare, i intervallet picosekunder, och är också mycket mindre känsliga för externa magnetfält.

Men medan antiferromagnetiska material har vissa fördelar, arbeta med denna typ av material, speciellt en som är tvådimensionell, är tekniskt utmanande, säger Wu. För att studera detta material, Ni och Wu var tvungna att först utveckla ett sätt att mäta minutsignaler utan att leverera för mycket kraft som skulle skada det atomärt tunna materialet. "Genom att använda en fotonräknare, vi kunde sänka ljudet, " säger Wu. "Det är det tekniska genombrottet som gjorde att vi kunde upptäcka antiferromagnetismen i monoskiktet."

Genom att använda deras nya avbildningsmetod, forskarna fann att de kunde "växla" materialet till att vara i en antiferromagnetisk fas vid låga temperaturer. De fann också att materialet hade färre tillstånd, liknande de bitar som används i datorns minne, Än förväntat. Forskarna observerade bara två tillstånd även om, baserat på dess rotationssymmetri, det förutspåddes ha sex stater.

Wu vände sig till Kane och Mele för att komma med en teori som kunde hjälpa till att förklara dessa oväntade resultat, och genom detta samarbete insåg den betydande inverkan som lateral spänning, såsom sträckning eller klippning, kan ha på sin symmetri. "Ett perfekt prov har trefaldig rotationssymmetri, men om något drar i den är det inte längre samma sak om du vrider den 120°, " säger Kane. "När Liang föreslog att det kunde finnas påfrestningar, Det var omedelbart uppenbart som teoretiker att två av de sex domänerna skulle väljas ut."

Efter uppföljande experiment som bekräftade deras hypotes, forskarna blev dessutom förvånade över hur kraftfull en liten belastning kunde vara för att förändra materialets egenskaper. "Förr, folk använde belastning för att ändra spinnriktningar, men i vårt fall är det viktigt att en liten mängd påfrestning kan styra spinn, och det beror på att stammens roll är verkligen grundläggande i fasövergången i vårt fall, " säger Wu.

Med denna nya insikt, forskarna säger att den här studien kan vara en utgångspunkt för bättre kontroll av antiferromagnetiska egenskaper med hjälp av små förändringar i stam. Töjning är också en mycket lättare egenskap att kontrollera i denna klass av material, som för närvarande kräver ett massivt magnetfält – i storleksordningen flera tesla – för att ändra elektronspinriktning och kan vara en sorts ratt eller ratt som kan ändra den magnetiska ordningen, eller mönstret för elektronens snurr.

"Frånvaron av ströfält i antiferromagnetiska material betyder att du inte har en makroskopisk sak som du kan använda för att manipulera ögonblicket, säger Mele, "Men det finns en viss intern grad av frihet som gör att du kan göra det genom att koppla direkt till beställningen."

För att studera detta material vidare, Ni arbetar med flera uppföljande experiment. Detta inkluderar att se om elektriska fält och pulser kan ändra spinnriktning och utvärdera användningen av terahertz-pulser, den naturliga resonansfrekvensen för antiferromagnetiska material, vid styrning av både elektronspinriktning och växlingshastighet. "Vi kan möjligen använda terahertz för att kontrollera snurrarna, " Ni säger om detta system, vilket också är en expertis för Wu-labbet. "Terahertz är mycket snabbare än gigahertz, och för de antiferromagnetiska spinnen är det möjligt att vi kan använda terahertz för att styra ultrasnabb växling från ett tillstånd till ett annat."

"Antiferromagnetiska material ger nya spännande möjligheter för att skapa snabbare spintroniska enheter för informationsbehandling samt nya sätt för att effektivt generera terahertzstrålning, som är den del av det elektromagnetiska spektrumet för trådlös kommunikation bortom 5G, " säger Joe Qiu, programledare för Solid-State Electronics and Electromagnetics på Army Research Office, som finansierade denna studie. "Alla dessa är viktiga tekniker för framtida arméelektronik."