I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno scoperto una caratteristica sorprendente nei magneti bidimensionali (2-D), una nuova classe di materiali che riceve una grande attenzione. La loro scoperta è la prima verifica che un segnale a lungo ritenuto dovuto a vibrazioni nel reticolo, la struttura del materiale stesso, è in realtà dovuto a un'onda di spin di elettroni.

Alcuni materiali sono composti da strati che interagiscono molto debolmente, che consente agli scienziati di separare o isolare i singoli strati e accedere atomicamente sottili (dell'ordine di pochi nanometri), Fogli 2-D. Per esempio, il grafene è stato il primo materiale 2-D isolato dalla grafite. Più gli scienziati imparano su questi materiali 2-D, quanto più si avvicinano alla realizzazione di potenziali applicazioni, specialmente nell'elettronica di prossima generazione e persino nell'informazione quantistica.

Il team del NIST ha pubblicato oggi i suoi risultati in Revisione fisica B .

I transistor sono gli elementi costitutivi di tutta l'elettronica moderna, dove le informazioni vengono memorizzate e trasferite tramite movimento di elettroni. Il flusso di questi elettroni determina la generazione di una notevole quantità di calore, ecco perché i laptop si surriscaldano con l'uso prolungato.

Una prospettiva per risolvere questo problema di calore è usare ondate di spin, chiamati magnon, come vettore di informazioni nei dispositivi invece di spostare gli elettroni. Tecnologia del futuro basata su magnon, o "magnonica, " Funzionerebbe quindi idealmente con un riscaldamento minimo o nullo.

Il lavoro del NIST pone le basi per future applicazioni stabilendo una tecnica di misurazione per studiare la fisica fondamentale dei magnon. Il team del NIST afferma che gli ingegneri dei dispositivi 2-D saranno particolarmente entusiasti dell'alta frequenza alla quale viene osservato il Magnon. Questo è importante per determinare la velocità di commutazione in potenziali dispositivi basati su Magnon (ad esempio, dispositivi che funzionano nella gamma THz anziché nella gamma GHz).

Un approccio unico

Lo studio dei materiali 2-D è fiorito nel proprio ramo della fisica della materia condensata, anche se il primo materiale 2-D, grafene, è stato isolato solo nel 2004, ha detto il capo del progetto NIST Angela Hight Walker. Questi materiali sono chiamati 2-D perché mentre possono essere larghi micrometri, sono estremamente sottili, sottili come un singolo atomo o 100, 000 volte più piccolo di un capello umano. Il loro spessore su scala nanometrica consente una maggiore personalizzazione rispetto ai materiali 3D, dove si possono vedere differenze drammatiche anche tra uno e due strati dello stesso materiale.

"Una delle cose eccitanti nell'investigare questi materiali 2-D è che ci sono tanti modi diversi per metterli a punto, "o controllare il loro comportamento, ha detto il fisico del NIST Amber McCreary. "Per esempio, perché sono così fisicamente flessibili, i ricercatori possono applicare grandi quantità di sforzo per modificare le loro proprietà, che è un meccanismo di accordatura che non avresti in un più spesso, materiale più rigido."

L'utilizzo di materiali 2D consente inoltre agli scienziati di creare eterostrutture, sandwich di materiali sottili impilati uno sopra l'altro strato per strato. Le interazioni tra i diversi livelli creano anche comportamenti personalizzabili, per esempio facendo diventare il grafene superconduttore quando gli strati vengono ruotati di un "angolo magico" l'uno rispetto all'altro.

Ma fino a poco tempo fa nessuno pensava che i materiali stratificati potessero essere magnetici quando riduci le loro dimensioni fino al limite 2-D. Quindi, solo un paio di anni fa, si scoprì che alcuni di loro potevano, infatti, mantengono il loro comportamento magnetico in un unico strato, e il campo "esplose di interesse, "Ha detto McCreary.

Sulla scia di questa svolta, Hight Walker e McCreary hanno immediatamente visto il potenziale per studiare alcuni di questi materiali magnetici 2-D utilizzando il loro esclusivo sistema di spettroscopia Raman.

La spettroscopia Raman è una tecnica che sonda un campione con luce laser e quindi misura come quella luce viene diffusa dal campione, rivelare informazioni su un materiale 2-D come la sua struttura, difetti, doping, numero di strati e accoppiamento tra gli strati, e altro ancora. I ricercatori visualizzano i dati che raccolgono come uno spettro, una rappresentazione grafica di tutte le frequenze misurate. Uno spettro tipico avrebbe picchi che rappresentano un segnale forte a determinate frequenze di luce.

Oltre a tutte le capacità della spettroscopia Raman convenzionale, il sistema personalizzato del NIST aggiunge la capacità di tracciare simultaneamente la luce diffusa in funzione sia della temperatura (fino a 1,6 K) che del campo magnetico (fino a 9 Tesla).

Gli scienziati del NIST hanno scelto di esplorare il magnete 2-D FePS3 perché i suoi spettri Raman cambiano drasticamente quando diventa magnetico a basse temperature. A circa 120 K (circa -240 gradi F), gli spin di ciascun atomo di Fe preferiscono allinearsi di fronte al loro vicino; questa configurazione è detta antiferromagnetica, al contrario del ferromagnetico dove tutti gli spin si allineano nella stessa direzione.

Mentre conducevano i loro esperimenti, hanno scoperto che uno dei picchi nei loro spettri Raman si stava comportando in modo imprevisto.

A Detective Story:Magnon o Phonon?

Il punto cruciale di questo lavoro richiede di apprezzare la differenza tra due tipi di eccitazioni collettive, fononi e magnoni.

I fononi sono vibrazioni reticolari quantizzate in un materiale, dove la parola quantizzata è usata per indicare che sono consentite solo determinate frequenze di vibrazioni. In questa animazione, puoi vedere come questa vibrazione si propaga attraverso la struttura di una catena unidimensionale (1D) di atomi, con alcuni atomi che si avvicinano l'uno all'altro, poi più lontano, mentre il materiale vibra.

Magnon, d'altra parte, non comportano il movimento degli atomi stessi. Anziché, i magnoni comportano modifiche a una proprietà quantistica degli elettroni negli atomi chiamata spin, la caratteristica che rende magnetici i magneti. Se pensi a ogni atomo come a una bussola, quindi lo spin è (metaforicamente) l'ago della bussola. In questa metafora, però, la rotazione può puntare sia a nord (su) che a sud (giù). L'animazione seguente mostra un cartone animato di un magnon, che può accadere quando gli spin sono perturbati dalla luce laser. Puoi vedere come le frecce hanno un movimento increspato che è analogo agli spin in un materiale magnetico in questa catena 1D di esempio. Questa eccitazione degli spin è chiamata onda di spin.

Quando si misura lo spettro Raman dei materiali magnetici, sia i fononi che i magnoni possono presentarsi come picchi individuali inizialmente indistinguibili. Occorrono tecniche investigative avanzate, compreso lo studio delle caratteristiche e contemporaneamente il monitoraggio della loro risposta alla temperatura e al campo magnetico, per discernere veramente i due. In precedenza, la comunità di ricerca aveva identificato un particolare picco nello spettro Raman di FePS3 come fonone. Ma cambiando la temperatura e l'intensità del campo magnetico, the NIST team discovered two odd behaviors.

Primo, the frequency change of the peak was larger than expected as a function of temperature. And then when they applied a larger and larger magnetic field, the feature they were tracking surprisingly splits into two peaks.

Neither of these behaviors are expected from a phonon. But they are classic magnon behavior.

"Our study is the first to confirm the presence of a magnon in a 2-D magnet, and our unique experimental capabilities made it possible, " said Thuc Mai, a National Research Council postdoctoral fellow and paper co-author.

Where Do We Go From Here

One of the main takeaways of this work is that other researchers should consider magneto-Raman spectroscopy as a key measurement technique to probe 2-D magnets and other quantum materials, Hight Walker said.

"We know of at least three labs that are adopting similar configurations after hearing us present the details of our unique capabilities, " Hight Walker said. "So it is exciting that people are seeing the promise."

"NIST was the first to leverage our magneto-optical cryostat with such advanced Raman spectroscopy, " said Balázs Sipos, head of customer success at Attocube, a company that develops, produces, and distributes components and systems for nanoscale applications. "We have seen several more labs interested in duplicating their set up to achieve these unique types of measurements."

As new information about these new materials is unraveled, more applications will be realized. Right now, the 2-D magnets are so new that scientists are still diving into the underlying physics. But computing systems based on magnetism instead of electronics could be a potential high-risk, high reward outcome.

"We're doing the groundwork in understanding how optics can be used to study these materials that have been called out as relevant quantum materials for investigation, " Hight Walker said. "As we're beginning to demonstrate, this technique is going to be key for quantum materials metrology."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione del NIST. Leggi la storia originale qui.