Magneettisia moiré-superhiloja ja valolla materiaaleja muokaten

Vuonna 2017 tutkijat löysivät erittäin ohuen, magneettisen materiaalin, joka oli vain kolmen atomin tai yhden atomiyksikön paksuinen. Mutta tällä materiaalilla, jota kutsutaan kromitrijodidiksi, oli yksinkertainen magneettinen momenttijärjestely mikä tarkoittaa, että se ei pysty tallentamaan suuria määriä informaatiota.

Michiganin yliopiston fyysikko Liuyan Zhao ja hänen tiiminsä ovat luoneet keinotekoisen näytteen kerrostamalla kaksi kromitrijodidihiutaletta toistensa päälle pienellä kiertokulmalla muodostamaan moiré-superhilan.

Kun yhden kerroksen kromiatomit asettuvat aivan toisen kerroksen kromiatomien keskelle, niiden spinit haluavat olla samaan suuntaan. Kun ne ovat kolmanneksen päässä lähimpien naapuriatomien välisestä etäisyydestä, niiden spinit suosivat vastakkaista suuntaa.

Siten näiden kahden alueen välillä spinit turhautuvat, koska he eivät tiedä kumpaa kahdesta tavasta seurata, ja voivat kehittää uusia järjestelyjä. Silloin ne voivat esimerkiksi muuttua kierteisiksi. Erilaiset spinsuuntaukset saman materiaalin sisällä luovat enemmän mahdollisuuksia informaation tallentamiseen.

Optisesti laserin avulla voi toteuttaa materiaalien ominaisuuksien nopean ja tilapäisen muuttamiseen. Caltechin fysiikan professori David Hsieh. "Mutta teknologiaa on tähän asti rajoittanut se, että laserit aiheuttavat liikaa lämpöä materiaaleihin."

Uudessa tutkimustyössään Hsieh ja hänen tiiminsä raportoivat käyttäneensä lasereita materiaalien ominaisuuksien dramaattisessa muokkaamisessa ilman ylimääräisät lämmön tuottoa.

Tutkijatiimi löysi "sweet spotin" lämmöntuoton kiertämiseksi. Laserin taajuutta hienosäädetään siten, että materiaalin ominaisuudet muuttuvat merkittävästi ilman, että se aiheuttaa ei-toivottua lämpöä.

Koemateriaalina käytettiin mangaanifosforitrisulfidi puolijohdetta, joka absorboi luonnollisesti vain pienen määrän valoa laajalla infrapunataajuusalueella.

Menetelmä toimii, koska valo muuttaa puolijohteen elektronien energiatasojen välisiä eroja (kaistaeroa) siirtämättä itse elektroneja eri energiatasoille, mikä tuottaisi lämpöä. Laser keinuttaa vahvasti materiaalin energiatasoja, mikä muuttaa materiaalien ominaisuuksia, mutta elektronit pysyvät paikoillaan.

Löydökset, Hsieh sanoo, tarkoittavat, että muut tutkijat voivat nyt mahdollisesti käyttää valoa luodakseen materiaaleja keinotekoisesti, kuten eksoottisia kvanttimagneetteja, joita olisi muuten ollut vaikeaa tai jopa mahdotonta luoda luonnollisesti.

Aiheista aiemmin:

Uusia ominaisuuksia moiré-superhiloissa

Twist, twist,twist

Materiaalisuunnittelulla kaistaero sopivaksi