Veijo Hänninen

Monen lajin ferroisuutta

Materiaalitieteessä "ferroinen" viittaa minkä tahansa materiaalin elektronien ominaisuuden, kuten niiden varauksen tai magneettisen spinin, kollektiiviseen vaihtamiseen ulkoisen kentän vaikutuksesta. Mutta nyt tutkijat ovat löytäneet myös uudenlaisia ferroisuuden lajeja.

Materiaalit voivat ilmentää yhden useista ferroisista tiloista. Esimerkiksi ferromagneetit ovat materiaaleja, joissa elektronien spinit asettuvat kollektiivisesti magneettikentän suuntaan. Samoin ferrosähköiset koostuvat elektronivarauksista, jotka asettuvat automaattisesti sähkökentän mukaisesti.

Useimmissa tapauksissa materiaalit ovat joko ferrosähköisiä tai ferromagneettisia. Harvoin ne ilmentävät molempia tiloja kerralla.

Viime vuosina tiedemiehet ovat syntetisoineet laboratoriossa materiaaleja, joilla on multiferroisia ominaisuuksia ja jotka käyttäytyvät sekä ferrosähköisinä että ferromagneetteina omituisella tavalla. Esimerkiksi elektronien magneettiset spinit voidaan vaihtaa paitsi magneettikentän myös sähkökentän avulla.

Tällainen vaihdettavissa oleva, multiferroinen tila on erityisen jännittävä sen potentiaalin vuoksi edistää magneettisen datan tallennuksen rakenteita.

Eksoottinen multiferroinen

MIT:n fyysikot ovat löytäneet eksoottisen "moniferroisen" tilan yhden atomikerroksen paksuisesta materiaalista. Heidän havaintonsa on ensimmäinen, joka vahvistaa, että täydellisesti kaksiulotteisessa materiaalissa voi olla moniferroisia ominaisuuksia.

"Kaksiulotteiset materiaalit mahdollistavat pinottaessa tuottaa jotain erilaista kuin kummastakin kappaleesta yksin", sanoo fysiikan professori Nuh Gedik. "Nyt meillä on uusi yksikerroksinen multiferroininen, joka voidaan pinota muiden materiaalien kanssa mielenkiintoisten ominaisuuksien aikaansaamiseksi."

Fyysikot, kuten Comin ja Gedik, uskovat, että jos magneettiset bitit voitaisiin valmistaa moniferroisesta materiaalista, niitä voitaisiin vaihtaa nopeammin ja energiatehokkaammin sähkökenttien kautta kuin virran tuottaman magneettikenttien avulla.

Yksi suuri este laiteintegraatiolle on ollut koko. Toistaiseksi fyysikot ovat havainneet ultiferroisia ominaisuuksia vain suhteellisen suurissa näytteissä kolmiulotteisista materiaaleista, jotka ovat liian suuria työstettäväksi nanomittakaavan muistibiteiksi. Kukaan ei ole kyennyt syntetisoimaan täydellisesti kaksiulotteista moniferroista materiaalia.

"Kaikki tunnetut esimerkit multiferroisista ovat kolmiulotteisia ja perustavanlaatuinen kysymys on: Voivatko nämä tilat olla olemassa 2D:ssä, yhdessä atomilevyssä?" Comin sanoo.

Ryhmän uudet kokeet vahvistavat, että nikkelijodidi on moniferroinen kaksiulotteisessa muodossaan. Lisäksi tutkimus on ensimmäinen, joka osoittaa, että moniferroinen järjestys voi olla olemassa kahdessa ulottuvuudessa – ihanteelliset mitat nanomittakaavan moniferroisten muistibittien rakentamiseen.

”Meillä on nyt materiaali, joka on 2D ja multiferroinen. Ennen emme tienneet, mitä tehdä, jos halusimme tehdä nanomittakaavan moniferroisen laitteen. Nyt alamme valmistaa näitä rakenteita laboratoriossamme”, Comin sanoo. "Haluamme käyttää sähkökenttiä magnetismin ohjaamiseen, nähdäksemme kuinka nopeasti voimme vaihtaa multiferroisia bittejä ja miten voimme pienentää niitä."

Antiferromagneettinen eksitonieriste

Brookhavenin National Laboratoryn tutkijat ovat löytäneet pitkään ennustetun aineen magneettisen tilan, jota kutsutaan "antiferromagneettiseksi eksitonieristeeksi".

"Laajasti ottaen tämä on uudenlainen magneetti", sanoo Brookhaven Labin fyysikko Mark Dean. "Koska magneettiset materiaalit ovat suuren osan ympärillämme olevan tekniikan ytimessä, uudentyyppiset magneetit ovat sekä pohjimmiltaan kiehtovia että lupaavia tulevia sovelluksia ajatellen."

Uusi magneettinen tila sisältää vahvan magneettisen vetovoiman elektronien välillä kerroksellisessa materiaalissa, mikä saa elektronit järjestämään magneettiset momenttinsa eli "spinit" säännölliseen ylös-alas eli "antiferromagneettiseen" järjestykseen.

Ajatus siitä, että tällaista antiferromagnetismia voisi ohjata omituinen elektronikytkentä eristysmateriaalissa, ennustettiin ensimmäisen kerran 1960-luvulla, kun fyysikot tutkivat metallien, puolijohteiden ja eristeiden erilaisia ominaisuuksia.

Nyt tutkijat yrittivät selvittää, mitä tapahtuu, kun eristeen ja johtimen välistä elektronista "energiarakoa" pienennetään ja pienennetään. Muutatko yksinkertaisen eristeen yksinkertaiseksi metalliksi, jossa elektronit voivat liikkua vapaasti vai tapahtuuko jotain mielenkiintoisempaa?

Ennuste oli, että tietyissä olosuhteissa saattaisi löytyä "antiferromagneettinen eksitoninen eriste".

Miksi tämä materiaali on niin eksoottista ja mielenkiintoista?

Ymmärtääksemme sukeltakaamme näihin termeihin ja tutkimalla, kuinka tämä uusi ainetila muodostuu.

Antiferromagneetissa vierekkäisten atomien elektronien magneettinen polarisaatioakseli (spinit) on kohdistettu vuorotellen ylös ja alas jolloin sisäiset magneettiset orientaatiot kumoavat toisensa, eikä nettomagnetismia ole.

Tällaisia materiaaleja voidaan vaihtaa nopeasti eri tilojen välillä. Ne vastustavat myös informaation katoamista ulkoisten magneettikenttien aiheuttamien häiriöiden vuoksi. Nämä ominaisuudet tekevät antiferromagneettisista materiaaleista houkuttelevia nykyaikaisille viestintätekniikoille.

Eksitonit puolestaan syntyvät, kun tietyt olosuhteet sallivat elektronien liikkua ja olla vahvasti vuorovaikutuksessa toistensa kanssa muodostaen sidottuja tiloja. Elektronit voivat myös muodostaa sidottuja tiloja elektroniaukkojen kanssa.

Elektroni-elektroni-vuorovaikutusten tapauksessa sitoutumista ohjaavat magneettiset vetovoimat, jotka ovat riittävän vahvoja voittamaan kahden samalla tavalla varautuneen hiukkasen välisen hylkivän voiman. Elektronien ja aukkojen välisissä vuorovaikutuksissa vetovoiman on oltava riittävän voimakas voittamaan eriste-materiaalin "energiarako", joka on eristeen ominaisuus.

Hyvin erityisissä olosuhteissa magneettisten elektronien ja aukkojen vuorovaikutuksista saatava energiahyöty voi olla suurempi kuin energiaraon yli hyppäävien elektronien energiakustannukset.

Kehittyneiden tekniikoiden ansiosta fyysikot voivat nyt tutkia näitä erityisolosuhteita saadakseen selville, kuinka antiferromagneettinen eksitoninen eristetila syntyy.

Antiferromagneettisen eksitonisen eristeen tunnistaminen päättää pitkän matkan, jossa tutkitaan kiehtovia tapoja, joilla elektronit valitsevat järjestäytymisensä materiaaleihin. Tulevaisuudessa tällaisten materiaalien spinin ja varauksen välisten yhteyksien ymmärtäminen voi tarjota potentiaalia uusien teknologioiden toteuttamiseen.

Fyysikot manipuloivat magnetismia valolla

MIT:n tutkijat ja kollegat ovat paitsi löytäneet eksoottisen fysiikan tarkkailua varten luomansa "leikkikentän" avulla uuden tavan manipuloida materiaalin magnetismia valolla, mutta he ovat myös selvittäneet harvinaisen aineen muodon.

Edellinen voisi johtaa sovelluksiin, mukaan lukien tietokoneen muistitallennuspiirit, jotka voivat lukea tai kirjoittaa informaatiota paljon nopeammin, kun taas jälkimmäinen tuo käyttöön uutta fysiikkaa.

Kiinteä materiaali koostuu erilaisista alkuainehiukkasista, kuten protoneista ja neutroneista. Näissä on myös yleisiä "kvasihiukkasia", kuten elektronista ja aukosta koostuvat eksitoneja, jotka ovat tässäkin tutkimuskohteena. Kvanttimekaniikassa elektroni ja aukko ovat yhteydessä toisiinsa ja voivat "kommunikoida" keskenään sähköstaattisten vuorovaikutusten kautta.

"Eksitoneja voidaan pitää energiapaketteina, jotka etenevät järjestelmän läpi", sanoo Edoardo Baldini, toinen julkaisun kahdesta johtavasta kirjoittajasta. Toinen johtava kirjoittaja on tohtoriopiskelija Carina Belvin.

"Tämän materiaalin eksitonit ovat melko ainutlaatuisia siinä mielessä, että ne ovat yhteydessä järjestelmän magnetismiin. Oli varsin vaikuttavaa saada "potkia" eksitoneja valolla ja tarkkailla niiden magnetismiin aiheuttamia muutoksia", sanoo professori Nuh Gedik.

Tähän työhön liittyi epätavallisten eksitonien luominen materiaali nikkelifosforitrisulfidissa (NiPS3). Nämä eksitonit ovat "pukeutuneet" tai niihin vaikuttavat niitä ympäröivä ympäristö. Tässä tapauksessa tämä ympäristö on magnetismi. "Joten havaitsimme, että niitä kiihdyttäen voimme todella manipuloida materiaalin magnetismia", Belvin sanoo.

MIT:n tiimin käyttämässä materiaalissa vuorottelevat spinit osoittavat vastakkaisiin suuntiin muodostaen antiferromagneetin. Valopulssi saa jokaisen NiPS3:n spinin pyörimään ympyrää. Pyörivät spinit ovat synkronoituja ja muodostavat aallon materiaaliin eli spin-aallon, jota voidaan hyödyntää spintroniikassa.

Kyky luoda spinaaltoja antiferrosähköisessä materiaalissa voi johtaa tulevaisuuden tietokonemuistilaitteisiin, jotka voivat lukea tai kirjoittaa informaatiota paljon nopeammin kuin pelkkään elektroniikkaan perustuvat. "Emme ole vielä siellä. Tässä artikkelissa olemme osoittaneet prosessin, joka on johdonmukaisen aluevaihdon taustalla: seuraava askel on vaihtaa alueita, Baldini sanoo.

Harvinainen aineen muoto

Työnsä kautta tiimi esitteli myös harvinaista materiaalia. Kun fyysikot altistivat NiPS3:n voimakkaille valopulsseille, he havaitsivat, että se muuttui metallitilaksi, joka johtaa elektroneja säilyttäen samalla magneettisuutensa. NiPS3 on tavallisesti eriste. "On hyvin harvinaista, että samassa materiaalissa on antiferromagneetti ja metallitila", Belvin sanoo.

Fyysikot uskovat tämän tapahtuvan, koska voimakas valo saa eksitonit törmäämään toisiinsa ja hajoamaan ainesosiinsa: elektroneihin ja aukkoihin. "Tuhoamme pohjimmiltaan eksitonit, jotta elektronit ja aukot voivat liikkua kuten metallissa", Baldini sanoo. Mutta nämä liikkuvat hiukkaset eivät ole vuorovaikutuksessa spinaaltoon osallistuvien paikallisten elektronien spinien kanssa, joten magnetismi säilyy.

Baldini kuvailee kokeellista järjestelyä "monen tekijän fysiikan tarkkailun leikkipaikaksi", jonka hän määrittelee "tyylikkääksi vuorovaikutukseksi eri kappaleiden, kuten eksitonien ja spinaaltojen välillä". Hän päättää: "Pidin tästä työstä todella siitä, että se osoittaa ympärillämme olevan maailman monimutkaisuuden.”

Maaliskuu 2022