Fyysikot löysivät kauan ennustetun kellomagnetismin

Texas Austinin yliopiston fyysikkojen johtama tutkimusryhmä on kokeellisesti osoittanut ultraohuessa materiaalissa eksoottisten magneettisten vaiheiden sarjan, joka ensimmäistä kertaa täysin toteuttaa 1970-luvulla ehdotetun kaksiulotteisen magnetismin teoreettisen mallin. Tutkijoiden mukaan edistysaskel saattaa inspiroida uusia, ultrakompakteja teknologioita.

Eksoottisten magneettisten faasien sarja sisältää kaksi keskeistä siirtymää, jotka tapahtuvat tiettyjen materiaalien jäähtyessä kohti absoluuttista nollapistettä. Molemmat siirtymät on havaittu kokeellisesti erikseen aiemmin, mutta eivät koskaan yhdessä täydellisenä sarjana.

Kun tutkijat jäähdyttivät atomaarisen ohuen nikkelifosforitrisulfidikerroksen (NiPS3 ) –150 ja –130 °C:n lämpötiloihin, materiaali siirtyi ensimmäiseen erityiseen magneettiseen faasiin, jota kutsutaan Berezinskii–Kosterlitz–Thouless (BKT) -faasiksi.

Tässä tilassa materiaalin yksittäisiin atomeihin liittyvät magneettiset orientaatiot – jotka tunnetaan magneettisina momentteina – muodostavat pyörteisiä kuvioita eli vortekseja. Näiden pyörteiden parit kiertävät vastakkaisiin suuntiin, toinen myötäpäivään ja toinen vastapäivään, ja pysyvät tiukasti toisiinsa sidottuina.

”BKT-vaihe on erityisen kiehtova, koska näiden pyörteiden ennustetaan olevan poikkeuksellisen kestäviä ja rajoittuvan vain muutamaan nanometriin sivusuunnassa, samalla kun ne täyttävät vain yhden atomikerroksen paksuuden”, sanoo Edoardo Baldini, UT:n fysiikan apulaisprofessori ja tutkimuksen johtaja. ”Stabiiliutensa ja erittäin pienen kokonsa ansiosta nämä pyörteet tarjoavat uuden tavan hallita magnetismia nanoskaalassa ja antavat tietoa universaalista topologisesta fysiikasta kaksiulotteisissa järjestelmissä.”

Jäähdytyksen edelleen jatkuessa materiaali siirtyi toiseen erilliseen magneettiseen faasiin, jota kutsutaan kuusitilaisesti kellojärjestäytyneeksi faasiksi, jossa magneettiset momentit omaksuvat yhden kuudesta symmetriaan liittyvästä orientaatiosta. Sekä BKT-tilan että matalan lämpötilan järjestäytyneen tilan havainnointi luo kokeellisen toteutuksen kaksiulotteiselle kuusitilaisen kellomallille – 1970-luvulla ehdotetulle paradigmaattiselle teoreettiselle viitekehykselle.

"Tässä vaiheessa työmme osoittaa kaksiulotteisen kuusitilaisen kellomallin odotettavissa olevan vaiheiden täyden järjestyksen ja määrittää olosuhteet, joissa nanomittakaavan magneettipyörteitä syntyy luonnollisesti puhtaasti kaksiulotteisessa magneetissa", Baldini sanoi.

BKT-faasin tulevassa työssä pyritään löytämään oikea materiaalien ominaisuuksien yhdistelmä samanlaisten magneettisten faasien vakauttamiseksi yhä korkeammissa lämpötiloissa, ehkä jopa huoneenlämpötilaan asti. Tämä alustava havainto luo tärkeän perustan näille pyrkimyksille.

NiPS₃:n lisäksi löydökset osoittavat, että laaja luokka kaksiulotteisia magneettisia materiaaleja saattaa sisältää aiemmin tutkimattomia faaseja, mikä avaa uusia suuntia sekä perusfysiikalle että nanomittakaavan laitekonsepteille.