De tunnaste materialen i världen är bara en enda atom tjocka. Den här typen av tvådimensionella eller 2D-material – som grafen, känt som att de består av ett enda lager av kolatomer – orsakar en hel del spänning bland forskarlag över hela världen. Detta beror på att dessa material lovar ovanliga egenskaper som inte kan erhållas med tredimensionella material. Som ett resultat öppnar 2D-material dörren till nya applikationer inom områden som informations- och displayteknik, såväl som för kritiska komponenter i extremt känsliga sensorer.

Strukturer kända som van-der-Waals monolager väcker särskilt intresse. Dessa är kombinationer av två eller flera lager av olika material som var och en bara är en enda atom tjock, med lagren som hålls mot varandra av svaga elektrostatiska van-der-Waals krafter. Genom att välja typ och sekvens av materialskikt som är bundna på detta sätt kan specifika elektriska, magnetiska och optiska egenskaper väljas och modifieras. Uppskalad homogen avsättning av individuella van-der-Waals-skikt med ferromagnetiska egenskaper har dock ännu inte uppnåtts. Ändå är det just denna typ av magnetism i större skala som är särskilt viktig för flera potentiella tillämpningar – som för en ny form av icke-flyktigt minne till exempel.

Forskare från Max Planck-institutet för mikrostrukturfysik i Halle, Tyskland, synkrotronljuskällan ALBA i Barcelona, ​​Spanien och Helmholtz-Zentrum Berlin har nu för första gången lyckats skapa ett enhetligt tvådimensionellt material – och demonstrera ett exotiskt material. ferromagnetiskt beteende inom den, känt som "lättplansmagnetism".

Ett nästan fritt flytande lager av krom och klor

Forskarna från Tyskland och Spanien använde kromklorid (CrCl₃ ) som ett material, som liknar motsvarande förening gjord av krom och jod i strukturen - men kan vara betydligt mer robust. Teamet i Halle deponerade ett monoatomiskt lager i makroskala av detta material på ett grafenbelagt kiselkarbidsubstrat med hjälp av molekylär strålepitaxi. Syftet med grafenet var att minska interaktionen mellan kromklorid och kiselkarbid och därigenom förhindra att substratet påverkar egenskaperna hos den monoatomiska CrCl₃ lager. Detta var nyckeln till att komma åt den svårfångade magnetiska lättplansanisotropin", förklarar Dr. Amilcar Bedoya-Pinto, en forskare i Prof. Stuart Parkins grupp vid Max Planck-institutet i Halle. "I huvudsak fick vi en nästan fritt flytande, ultratunt lager som endast var bundet till grafenmellanlagret av svaga van-der-Waals krafter."

Teamets mål var att svara på frågan om hur den magnetiska ordningen i kromklorid visar sig när den består av endast ett enda monoatomiskt lager. I sin normala tredimensionella form är ämnet antiferromagnetiskt. Som ett resultat är atomernas magnetiska moment orienterade i motsatta riktningar i varje lager - vilket gör att materialet verkar icke-magnetiskt i bulk. Teoretiska överväganden hittills antydde att den magnetiska ordningen går förlorad eller uppvisar svag konventionell magnetisering när materialet reduceras till ett enda atomlager.

Exakta mätningar på VEKMAG-anläggningen

Men forskare har nu lyckats motbevisa detta - genom att ta en detaljerad titt på de magnetiska egenskaperna hos 2D-materialet. För att göra det använde de den unika kapaciteten hos VEKMAG vektormagnetanläggningen installerad vid HZB:s synkrotronstrålningskälla BESSY II. "Här är det möjligt att undersöka prover med hjälp av mjuk röntgenstrålning i ett starkt magnetfält - och vid temperaturer nära absolut noll", säger Dr Florin Radu, chef för teamet på HZB som ansvarar för verksamheten vid VEKMAG-anläggningen. "Dessa aspekter gör anläggningen unik i världen", tillägger Berlin-forskaren. Det gjorde det möjligt för teammedlemmarna från Halle att bestämma orienteringen av individuella magnetiska moment och att exakt skilja mellan krom- och kloratomer.

Under mätningarna observerade forskarna hur ferromagnetisk ordning bildades i det tvådimensionella materialet under en viss temperatur, det som kallas Curie-temperaturen. "I det monoatomiska kromkloridskiktet skedde en fasövergång som är karakteristisk för lättplansmagneter som aldrig tidigare hade observerats i ett sådant 2D-material", rapporterar Bedoya-Pinto.

Medvind för utveckling av spintronik

Upptäckten ger inte bara nya insikter om det magnetiska beteendet hos tvådimensionella material. "Vi har nu också en utmärkt plattform för att utforska en mängd olika fysiska fenomen som bara existerar i tvådimensionella magneter", är Bedoya-Pinto glad att kunna säga, såsom superfluid (förlustfri) transport av spinn, som är en slags inneboende vinkel. rörelsemängd hos elektroner och andra partiklar. Dessa är grunden för en ny form av databehandling som – till skillnad från konventionell elektronik – använder magnetiska moment snarare än elektriska laddningar. Känd som spintronics, revolutionerar detta för närvarande datalagring och informationsbehandling. De nya insikterna från HZB kan stärka denna utveckling. + Utforska vidare

Visualisera atomstruktur och magnetism hos 2-D magnetiska isolatorer