Ученые обнаружили, что двумерный кристалл Ван-дер-Ваальса, часть класса материалов, атомарно тонкие слои которых можно снимать один за другим с помощью липкой ленты, обладает внутренним ферромагнетизмом.Открытие, которое будет опубликовано 26 апреля в журнале Nature, может иметь серьезные последствия для широкого круга приложений, в которых используются ферромагнитные материалы, таких как наноразмерная память, устройства спинтроники и магнитные датчики.«Это захватывающее открытие», — сказал главный исследователь Сян Чжан, старший научный сотрудник отделения материаловедения лаборатории Беркли и профессор Калифорнийского университета в Беркли. «Этот эксперимент представляет собой свидетельство существования атомарно тонкого и атомно плоского магнита, что удивило многих.
Он открывает двери для исследования фундаментальной физики вращения и приложений спинтроники в малых измерениях».В исследовании рассматривается давняя проблема квантовой физики: выживет ли магнетизм, когда материалы сжимаются до двух измерений.
В течение полувека теорема Мермина-Вагнера обращалась к этому вопросу, заявляя, что, если в двумерных материалах отсутствует магнитная анизотропия, направленное выравнивание электронных спинов в материале, магнитного порядка может не быть.«Интересно, что мы обнаружили, что магнитная анизотропия является неотъемлемым свойством изучаемого нами двумерного материала, и благодаря этой характеристике мы смогли обнаружить внутренний ферромагнетизм», — сказал ведущий автор исследования Ченг Гун, научный сотрудник лаборатории Чжана. .
Силы Ван-дер-Ваальса, названные в честь голландского ученого, относятся к межмолекулярным силам притяжения, которые не возникают из-за типичных ковалентных или ионных связей, которые удерживают молекулы в целости. Эти квантовые силы используются гекконами, когда они легко бегают по стенам и потолкам.
Кристаллы Ван-дер-Ваальса описывают материалы, в которых двумерные слои не связаны друг с другом традиционными связями, что позволяет легко отслаивать их с помощью ленты. Исследования графена, самого известного материала Ван-дер-Ваальса, были удостоены Нобелевской премии по физике в 2010 году.«Это как страницы книги», — сказал Гонг. «Страницы можно складывать друг на друга, но силы, связывающие одну страницу с другой, намного слабее, чем силы в плоскости, которые сохраняют целостность одного листа».По оценкам Гонга, для этого исследования он снял более 3000 чешуек теллурида хрома-германия (Cr2Ge2Te6 или CGT).
Хотя CGT существовал как объемный материал в течение десятилетий, исследователи говорят, что двумерные хлопья могут представлять собой захватывающее новое семейство двумерных кристаллов Ван-дер-Ваальса.«CGT также является полупроводником, и ферромагнетизм является внутренним», — сказал соавтор исследования Цзин Ся, доцент кафедры физики и астрономии Калифорнийского университета в Ирвине. «Это делает его более чистым для приложений в памяти и спинтронике».
Исследователи обнаруживают намагниченность атомарно тонких материалов с помощью метода, называемого магнитооптическим эффектом Керра. Метод включает сверхчувствительное обнаружение вращения линейно поляризованного света при его взаимодействии со спинами электронов в материале.
Ключ к одному из наиболее удивительных результатов исследования заключается в том, что магнитная анизотропия в материале CGT была очень мала. Это позволило исследователям легко контролировать температуру, при которой материал теряет свой ферромагнетизм, известную как температура перехода или температура Кюри.«Это важное открытие, — сказал Гонг. — Люди верят, что температура Кюри является неотъемлемым свойством магнитного материала и не может быть изменена. Наше исследование показывает, что это возможно».
Исследователи показали, что они могут контролировать температуру перехода чешуйки CGT, используя удивительно небольшие магнитные поля 0,3 тесла или меньше.«Тонкие пленки металлов, таких как железо, кобальт и никель, в отличие от двумерных материалов Ван-дер-Ваальса, структурно несовершенны и подвержены различным возмущениям, которые вносят свой вклад в огромную и непредсказуемую ложную анизотропию», — сказал Гонг. «Напротив, высококристаллический и однородно плоский 2-D CGT, вместе с его небольшой внутренней анизотропией, позволяет небольшим внешним магнитным полям эффективно спроектировать анизотропию, обеспечивая беспрецедентный контроль магнитного поля температур ферромагнитного перехода».
Авторы исследования также отметили, что поразительной особенностью кристаллов Ван-дер-Ваальса является то, что их можно легко комбинировать с разнородными материалами без ограничений, основанных на структурной или химической совместимости.«Возможности комбинировать различные материалы для разработки новых функций привлекательны», — сказал соавтор исследования Стивен Луи, старший научный сотрудник Отделения материаловедения лаборатории Беркли и профессор физики Калифорнийского университета в Беркли. «Это дает огромную гибкость при проектировании искусственных структур для различных магнитоэлектрических и магнитооптических приложений».