ETH Zürih’ten araştırmacılar, malzeme biliminde çığır açan bir araştırmayla, yapay olarak üretilmiş bir malzemede devrim niteliğinde bir ferromanyetizma biçimini ortaya çıkardılar. üniversite yayını.
Öncülük ettiği Ataç İmamoğlu Kuantum Elektroniği Enstitüsü’nde ve Eugene Demler Teorik Fizik Enstitüsü’nde ekibin yakın zamanda Nature dergisinde ayrıntıları verilen keşifleri, manyetizmayı yönlendiren daha önce bilinmeyen bir mekanizmaya ışık tuttu.
Karmaşık malzemelerde manyetik hizalamada gezinme
Belirli malzemelerde gözlemlenen manyetizmayı anlamak için fiziksel etkilerin karmaşık etkileşimini dikkate almak gerekir. Manyetik momentlerin hizalanması ferromanyetik malzemelerDemir veya nikel gibi, tipik olarak elektronlar arasındaki elektrostatik itme ile elektron dönüşlerinin kuantum mekaniksel etkilerinin bir kombinasyonu olan değişim etkileşimine atfedilir. Ancak İmamoğlu ve ekibi, yapay olarak oluşturulmuş bir malzemede, manyetik momentlerin hizalanmasının geleneksel değişim etkileşiminden saptığı yeni bir ferromanyetizma biçimini tespit etti.
Benzersiz özelliklere sahip yeni bir malzeme üretmek
İmamoğlu liderliğindeki laboratuvarda doktora öğrencisi Livio Ciorciaro ve doktora sonrası araştırmacılarından oluşan bir ekip Tomasz Smolenski özel bir malzeme tasarladı. Araştırmacılar, iki farklı yarı iletken malzemeden (molibden diselenid ve tungsten disülfit) atomik olarak ince tabakaları üst üste yerleştirerek, farklı özelliklere sahip bir hareli malzeme oluşturdular. İkisinin farklı kafes sabitleri yarı iletkenlerAtomik yapılarına göre ayrılan , tek tek yarı iletkenlerinkinden otuz kat daha büyük bir kafes sabitine sahip iki boyutlu bir periyodik potansiyelle sonuçlandı. Bu potansiyel, bir elektrik voltajı uygulanarak elektronlarla doldurulabilir ve bu, güçlü bir şekilde etkileşime giren elektronlardaki kuantum etkilerinin kapsamlı bir şekilde araştırılmasına olanak tanır.
İmamoğlu, “Bu tür hareli malzemeler, güçlü etkileşen elektronların kuantum etkilerini çok iyi araştırmak için kullanılabildiği için son yıllarda büyük ilgi görüyor” dedi. “Ancak şu ana kadar manyetik özellikleri hakkında çok az şey biliniyordu.”
Deney yoluyla manyetik özelliklerin çözülmesi
İmamoğlu ve ekibi, hareli malzemenin manyetik özelliklerini araştırmak için deneysel bir yaklaşım geliştirdi. Malzemeyi lazer ışığıyla aydınlatarak ve farklı polarizasyonlara göre yansımasını ölçerek manyetik momentlerin yönünü ayırt edebildiler. Gerilim artırılarak malzeme giderek elektronlarla dolduruldukça beklenmedik bir geçiş meydana geldi. Belirli bir elektron dolgusuna kadar malzeme, rastgele yönlendirilmiş manyetik momentlerle paramanyetik davranış sergiledi. Bununla birlikte, kritik elektron yoğunluğunun ötesinde, malzeme beklenmedik bir şekilde ferromanyetik özellikler gösterdi.
İmamoğlu, “Bu, alışveriş etkileşimiyle açıklanamayan yeni bir tür manyetizmanın çarpıcı kanıtıydı.” dedi.
Kinetik manyetizma arayışı: Teorik bir sıçrama
Eugene Demler ve doktora sonrası araştırmacı Ivan Morera, hareli malzemede gözlemlenen alışılmadık ferromanyetizmanın çözülmesinde çok önemli bir rol oynadı. Japon fizikçinin teorik çalışmalarından ilham almak Yosuke Nagaoka 1966’da araştırmacılar, spinlerin hizalanmasının elektronların kinetik enerjisini en aza indirdiği bir mekanizma önerdiler; bu, değişim etkileşiminden farklı bir olgudur. Kinetik manyetizma mekanizmaları şimdiye kadar yalnızca model sistemlerde gözlemlendiğinden, bu açıklama yerleşik paradigmalara meydan okuyor; ETH Zürih araştırmacıları tarafından incelenen gibi genişletilmiş katı hal sistemlerinde asla gözlemlenmedi.
Gelecekteki beklentiler: Uygulamalar ve ileri araştırmalar
Araştırma yeni bir manyetizma anlayışına öncülük ederken İmamoğlu, ferromanyetizmanın sıcaklığa bağımlılığını keşfetmek için gelecekteki deneyleri öngörüyor. hareli malzeme. Mevcut deney, malzemenin mutlak sıfırın onda birine kadar soğutulmasını gerektiriyordu. Bu çığır açan keşif, yalnızca manyetizma anlayışımızı genişletmekle kalmıyor, aynı zamanda kuantum teknolojileri ve malzeme bilimindeki potansiyel uygulamaların kapılarını da açıyor.
İmamoğlu’nun ifadesiyle, “Bu keşif, önyargılarımıza meydan okuyor ve katı hal sistemlerindeki alışılmadık manyetizmanın daha fazla araştırılmasının temelini atıyor.” Bu araştırmanın sonuçları teorik fiziğin ötesine uzanıyor ve hareli malzemelerin benzersiz özelliklerinden yararlanan pratik uygulamalar için umut vaat ediyor.
Çalışma bilimsel yayıncıda yayınlandı Doğa.
Çalışma Özeti:
Geleneksel ferromanyetik metallerden kupratlar gibi güçlü korelasyona sahip malzemelere kadar değişen malzemelerin manyetik özellikleri, Coulomb değişim etkileşimlerinden kaynaklanır. Manyetizma için doğal olarak elektrik kontrolünü kolaylaştırabilecek alternatif mekanizmaların varlığı teorik olarak tartışılmıştır.1,2,3,4,5,6,7ama deneysel bir gösteri8 genişletilmiş bir sistemde eksik. Burada, hayal kırıklığına uğramış bir üçgen kafes oluşturan elektronların Mott yalıtkan durumları yakınındaki MoSe2 / WS2 van der Waals heteroyapılarını araştırıyoruz ve kinetik bir mekanizmadan kaynaklanan manyetik korelasyonların doğrudan kanıtlarını gözlemliyoruz. Polarizasyon seçici çekici polaron rezonansının gücü aracılığıyla elektronik mıknatıslanmayı doğrudan ölçerek9,10Mott durumu elektron katkılı olduğunda sistemin Nagaoka mekanizması ile uyum içinde ferromanyetik korelasyonlar sergilediğini bulduk.