Czy grafen tworzy nowy rodzaj magnetyzmu?


Naukowcy zidentyfikowali nową formę magnetyzmu w tak zwanym grafenie magnetycznym, co może wskazać drogę do zrozumienia nadprzewodnictwa w tym niezwykłym typie materiału.

Nowe sposoby na zrozumienie fizyki

Naukowcy, kierowani przez Uniwersytet w Cambridge, byli w stanie kontrolować przewodnictwo i magnetyzm tiofosforanu żelaza (FePS3), dwuwymiarowego materiału, który po ściśnięciu przechodzi z izolatora do metalu. Ta klasa materiałów magnetycznych oferuje nowe drogi do zrozumienia fizyki nowych stanów magnetycznych i nadprzewodnictwa.

Wykorzystując nowe techniki wysokociśnieniowe, naukowcy pokazali, co dzieje się z magnetycznym grafenem podczas przejścia z izolatora do przewodnika i do jego niekonwencjonalnego stanu metalicznego, realizowanego tylko w warunkach ultrawysokiego ciśnienia. Kiedy materiał staje się metaliczny, pozostaje magnetyczny, co jest sprzeczne z wcześniejszymi wynikami i dostarcza wskazówek, jak działa przewodnictwo elektryczne w fazie metalicznej. Nowo odkryta wysokociśnieniowa faza magnetyczna może być prekursorem nadprzewodnictwa, więc zrozumienie jej mechanizmów jest niezwykle istotne.

Ich wyniki, opublikowane w czasopiśmie Physical Review X, sugerują również sposób, w jaki nowe materiały mogą być zaprojektowane tak, aby miały połączone właściwości przewodzenia i magnetyczne, co może być przydatne w rozwoju nowych technologii, takich jak spintronika, która może zmienić sposób, w jaki komputery przetwarzają informacje.

Właściwości materii mogą się drastycznie zmieniać wraz ze zmianą wymiaru. Na przykład, grafen, nanorurki węglowe, grafit i diament są wykonane z atomów węgla, ale mają bardzo różne właściwości ze względu na ich różną strukturę i wymiarowość.

 

Naukowcy wykorzystali nowe techniki

"Wyobraźmy sobie, że wszystkie te właściwości można zmienić poprzez dodanie magnetyzmu", powiedział pierwszy autor dr Matthew Coak, który pracuje w Laboratorium Cavendish w Cambridge i na Uniwersytecie Warwick. "Materiał, który mógłby być mechanicznie elastyczny i tworzyć nowy rodzaj obwodu do przechowywania informacji i wykonywania obliczeń. Właśnie dlatego te materiały są tak interesujące, a także dlatego, że drastycznie zmieniają swoje właściwości po poddaniu ich ciśnieniu, dzięki czemu możemy kontrolować ich zachowanie."

W poprzednim badaniu, przeprowadzonym przez Sebastiana Hainesa z Laboratorium Cavendisha i Wydziału Nauk o Ziemi, naukowcy ustalili, że materiał staje się metalem pod wysokim ciśnieniem, a także opisali, w jaki sposób struktura krystaliczna i układ atomów w warstwach tego dwuwymiarowego materiału zmienia się w trakcie przemiany.

"Brakującym elementem pozostał jednak magnetyzm" - powiedział Coak. "Nie dysponując żadnymi technikami eksperymentalnymi zdolnymi do sondowania sygnatur magnetyzmu w tym materiale przy tak wysokich ciśnieniach, nasz międzynarodowy zespół musiał opracować i przetestować nasze własne nowe techniki, aby to umożliwić".

Naukowcy wykorzystali nowe techniki do pomiaru struktury magnetycznej aż do rekordowo wysokich ciśnień, używając specjalnie zaprojektowanych kowadeł diamentowych i neutronów, które działały jako sonda magnetyzmu. Następnie byli w stanie śledzić ewolucję magnetyzmu do stanu metalicznego.

"Ku naszemu zaskoczeniu stwierdziliśmy, że magnetyzm przetrwał i w pewien sposób został wzmocniony" - współautor dr Siddharth Saxena, lider grupy w Cavendish Laboratory. "Jest to nieoczekiwane, ponieważ nowo swobodnie wędrujące elektrony w nowo przewodzącym materiale nie mogą już być zablokowane do swoich macierzystych atomów żelaza, generując tam momenty magnetyczne - chyba że przewodzenie pochodzi z nieoczekiwanego źródła".

W swojej poprzedniej pracy naukowcy wykazali, że elektrony te były w pewnym sensie "zamrożone". Ale kiedy sprawili, że zaczęły płynąć lub poruszać się, zaczęły oddziaływać na siebie coraz bardziej. Magnetyzm przetrwał, ale został zmodyfikowany do nowych form, dając początek nowym właściwościom kwantowym w nowym typie magnetycznego metalu.

 

Rozwój nowych technologii

To jak zachowuje się dany materiał, czy jest przewodnikiem czy izolatorem, zależy głównie od tego jak poruszają się w nim elektrony, czyli ładunki. Okazało się jednak, że "spin" elektronów jest źródłem magnetyzmu. Spin sprawia, że elektrony zachowują się trochę jak małe magnesy sztabkowe i kierują się w określoną stronę. Magnetyzm wynikający z rozmieszczenia spinów elektronów jest wykorzystywany w większości urządzeń pamięciowych: jego wykorzystanie i kontrolowanie jest ważne dla rozwoju nowych technologii, takich jak spintronika, która może zmienić sposób, w jaki komputery przetwarzają informacje.

"Połączenie tych dwóch elementów, ładunku i spinu, jest kluczem do tego, jak zachowuje się ten materiał" - powiedział współautor dr David Jarvis z Institut Laue-Langevin we Francji, który prowadził tę pracę jako podstawę swoich studiów doktoranckich w Cavendish Laboratory. "Znalezienie tego rodzaju kwantowej wielofunkcyjności jest kolejnym skokiem naprzód w badaniach nad tymi materiałami".

"Nie wiemy dokładnie, co dzieje się na poziomie kwantowym, ale jednocześnie możemy nim manipulować" - powiedział Saxena. "To jest jak te słynne 'nieznane niewiadome': otworzyliśmy nowe drzwi do właściwości informacji kwantowej, ale nie wiemy jeszcze, jakie mogą być te właściwości".

Istnieje więcej potencjalnych związków chemicznych, które można zsyntetyzować, niż można by kiedykolwiek w pełni zbadać i scharakteryzować. Jednak poprzez staranny dobór i dostrajanie materiałów o specjalnych właściwościach można wskazać drogę do tworzenia związków i układów, ale bez konieczności stosowania ogromnego nacisku.

Ponadto, uzyskanie fundamentalnego zrozumienia zjawisk takich jak niskowymiarowy magnetyzm i nadprzewodnictwo pozwala badaczom na dokonanie kolejnych skoków w nauce o materiałach i inżynierii, ze szczególnym potencjałem w zakresie efektywności energetycznej, wytwarzania i przechowywania energii.

Jeśli chodzi o magnetyczny grafen, badacze planują kontynuować poszukiwania nadprzewodnictwa w tym unikalnym materiale. "Teraz, gdy mamy już pewne pojęcie o tym, co dzieje się z tym materiałem pod wysokim ciśnieniem, możemy przewidzieć, co może się stać, jeśli spróbujemy dostroić jego właściwości poprzez dodanie wolnych elektronów poprzez dalsze ściskanie" - powiedział Coak.

"Rzeczą, którą ścigamy jest nadprzewodnictwo", powiedział Saxena. "Jeśli uda nam się znaleźć rodzaj nadprzewodnictwa, który jest związany z magnetyzmem w materiale dwuwymiarowym, może to dać nam szansę na rozwiązanie problemu, który trwa już od dziesięcioleci".