I fisici del riso hanno confermato le origini topologiche dei magnon, caratteristiche magnetiche che hanno scoperto tre anni fa in un materiale 2D che potrebbe rivelarsi utile per codificare informazioni negli spin degli elettroni.

La scoperta, descritto in uno studio pubblicato online questa settimana sulla rivista dell'American Physical Society Revisione fisica X , fornisce una nuova comprensione delle eccitazioni di spin guidate dalla topologia in materiali noti come magneti di van der Waals 2D. I materiali sono di crescente interesse per la spintronica, un movimento nella comunità dell'elettronica a stato solido verso tecnologie che utilizzano spin di elettroni per codificare informazioni per il calcolo, archiviazione e comunicazioni.

Lo spin è una caratteristica intrinseca degli oggetti quantistici e gli spin degli elettroni svolgono un ruolo chiave nel determinare il magnetismo.

Il fisico del riso Pengcheng Dai, co-autore corrispondente di Revisione fisica X studio, detti esperimenti anelastici di diffusione di neutroni sul materiale 2D cromo triiodio hanno confermato l'origine della natura topologica delle eccitazioni di spin, chiamati magnon, che il suo gruppo e altri hanno scoperto nel materiale nel 2018.

Gli ultimi esperimenti del gruppo presso la Spallation Neutron Source dell'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) hanno mostrato che "l'accoppiamento spin-orbita induce interazioni asimmetriche tra gli spin" degli elettroni nel triiodio di cromo, Dai ha detto. "Di conseguenza, gli spin dell'elettrone sentono il campo magnetico dei nuclei in movimento in modo diverso, e questo influenza le loro eccitazioni topologiche."

Nei materiali van der Waals, strati 2D atomicamente sottili sono impilati come le pagine di un libro. Gli atomi all'interno degli strati sono strettamente legati, ma i legami tra gli strati sono deboli. I materiali sono utili per esplorare comportamenti elettronici e magnetici insoliti. Per esempio, un singolo foglio 2D di triiodio di cromo ha lo stesso tipo di ordine magnetico che fa attaccare le decalcomanie magnetiche a un frigorifero di metallo. Anche le pile di tre o più livelli 2D hanno quell'ordine magnetico, che la fisica chiama ferromagnetico. Ma due fogli impilati di triiodio di cromo hanno un ordine opposto chiamato antiferromagnetico.

Quello strano comportamento ha portato Dai e colleghi a studiare il materiale. Lo studente laureato in riso Lebing Chen, l'autore principale di questa settimana Revisione fisica X studio e dello studio del 2018 sulla stessa rivista, ha sviluppato metodi per realizzare e allineare fogli di triioduro di cromo per esperimenti presso l'ORNL. Bombardando questi campioni con neutroni e misurando le eccitazioni di spin risultanti con la spettrometria a tempo di volo dei neutroni, Chen, Dai e colleghi possono discernere caratteristiche e comportamenti sconosciuti del materiale.

Nel loro precedente studio, i ricercatori hanno mostrato che il triiodio di cromo crea il proprio campo magnetico grazie ai magnon che si muovono così velocemente che si sentono come se si muovessero senza resistenza. Dai ha affermato che l'ultimo studio spiega perché una pila di due strati 2-D di triioduro di cromo ha un ordine antiferromagnetico.

"Abbiamo trovato prove di un ordine magnetico dipendente dall'accatastamento nel materiale, " Ha detto Dai. Scoprire le origini e le caratteristiche chiave dello stato è importante perché potrebbe esistere in altri magneti van der Waals 2D.

Altri coautori includono Bin Gao of Rice, Jae-Ho Chung dell'Università della Corea, Matteo Pietra, Aleksandr Kolesnikov, Barry Winn, Ovidiu Garlea e Douglas Abernathy dell'ORNL, e Mathias Augustin e Elton Santos dell'Università di Edimburgo.