2D-materiaalista löytyi hitaita elektroneita

Viimeisen vuosikymmenen aikana tutkijat ovat kehittäneet kiehtovia kvanttiefektejä omaavia kaksiulotteisia materiaaleja, joita voitaisiin hyödyntää seuraavan sukupolven teknologioissa.

Chicagon yliopiston Pritzkerin molekyylitekniikan koulussa (UChicago PME) tutkimusryhmä havaitsi, että yksi tällainen uusi materiaali, Fe5GeTe2, on varaukseltaan järjestäytyneessä tilassa, jossa elektronit liikkuvat kollektiivisesti ja epätavallisen hitaasti säilyttäen samalla kvanttikoherenssin.

Apulaisprofessori Shuolong Yangin laboratoriossa tehty tutkimus kirjoittaa uudelleen nykyisen tietämyksen materiaalista ja avaa uusia teknologisia sovelluksia.

”Tämä on perustavanlaatuinen löytö, joka poikkeaa teoreettisista ennusteista”, Yang sanoi. ”Meidän on nyt palattava ajassa taaksepäin ja pohdittava tämän materiaalin magneettisia vuorovaikutuksia tyhjästä, mutta se johtaa myös uusiin mahdollisuuksiin käyttää tätä materiaalia uudentyyppisissä muistilaitteissa.”

Seitsemän vuotta sitten löydetty Fe5GeTe2 kuuluu van der Waals -magneettien materiaaliluokkaan. Niiden atomaarisen ohuet kerrokset voisivat mahdollistaa uudenlaisia muistiteknologioita, joilla on etuja perinteisiin magneettisiin materiaaleihin perustuviin teknologioihin verrattuna.

Yang ja hänen tiiminsä tutkivat materiaalia ARPES-mikroskopialla, ja sieltä löytyi yllättäen outo litteä kaista vyöhyke, jossa materiaalin elektronit eivät liiku niin nopeasti kuin niiden pitäisi. Itse asiassa ne liikkuvat kaikki yhdessä hyvin hitaasti.

”Emme mittaa yhtä elektronia”, Yang sanoi. ”Mittaamme tuhansien tai miljoonien elektronien vuorovaikutusta, ja ne kaikki liikkuvat yhdessä koherentilla tavalla. Se on kvanttinen monikappaleilmiö, ja se on itse asiassa hyvin outo asia.”

Yang vertaa sitä vesiputoukseen: jyrkässä rinteessä vesi virtaa nopeammin. Mutta loivemmassa rinteessä vesi virtaa hitaammin. Näiden erittäin hitaiden elektronien löytäminen muuttaa tiedemiesten ja insinöörien näkemystä materiaalista, jossa on monia erilaisia atomien rakenteellisia järjestelyjä.

"Tieteelliseltä kannalta katsottuna se viittaa siihen, että materiaalin magneettiset vuorovaikutukset ovat täysin erilaisia kuin mitä teoria ennustaa", Berruto sanoi.

Teknologisesta näkökulmasta ilmiö osoittaa, että materiaalin eri magneettisia tiloja voitaisiin käyttää informaation koodaamiseen muistijärjestelmässä. Itse asiassa Yang ja tiimi työskentelevät parhaillaan vaihtaakseen tämän kvantti-monikappalefaasin ja muiden faasien välillä mikrofokusoidun laserin avulla, mikä osoittaa, että tämä kytkentä on mahdollista ja sitä voitaisiin käyttää muistirakenteessa.

Ja vaikka useimmat näistä kvantti-ilmiöistä voidaan havaita ja hyödyntää vain erittäin kylmissä lämpötiloissa, tutkimusryhmä havaitsi tämän vasteen olevan koherentti jopa 38 astetta absoluuttisen nollapisteen yläpuolella.

Aiheesta aiemmin:

Magneettinen kvanttimateriaali ja meminduktori

Uusi materiaali optisesti ohjatulle magneettiselle muistille