Quanteneffekte lösen neue magnetische Eigenschaften aus

Das zweidimensionale Halbleitermaterial Molybdändisulfid ist mit Elektronen (rote Kugeln) gefüllt. Die Elektron-Elektron-Wechselwirkung führt dazu, dass sich die Spins aller Elektronen (rote Pfeile) in dieselbe Richtung ausrichten. Die Austauschenergie, die erforderlich ist, um einen einzelnen Elektronenspin im ferromagnetischen Zustand umzukehren, kann durch die Separation zwischen zwei spezifischen spektralen Linien bestimmt werden. Bildnachweis: N. Leisgang, Harvard University, ehemals Department of Physics, University of Basel/Scixel

Eine Studie hat den Bereich ferromagnetischer Materialien auf Molybdändisulfid ausgeweitet und gezeigt, dass es unter bestimmten Bedingungen ähnliche Eigenschaften wie Eisen aufweisen kann. Dazu gehört die Messung der Energie, die benötigt wird, um ihre Elektronenspins zu ändern, was auf ihre potenzielle Stabilität und Nützlichkeit hinweist.

Ferromagnetismus ist ein wichtiges physikalisches Phänomen, das in vielen Technologien eine bedeutende Rolle spielt. Es ist bekannt, dass Metalle wie Eisen, Kobalt und Nickel bei Raumtemperatur magnetisch sind, weil ihre Elektronenspins parallel ausgerichtet sind - und erst bei sehr hohen Temperaturen verlieren diese Materialien ihre magnetischen Eigenschaften.

Forscher unter der Leitung von Professor Richard Warburton vom Department of Physics und dem Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel haben gezeigt, dass Molybdändisulfid unter bestimmten Bedingungen ebenfalls ferromagnetische Eigenschaften aufweist. Bei niedrigen Temperaturen und einem externen Magnetfeld zeigen die Elektronenspins in diesem Material alle in die gleiche Richtung.

In ihrer neuesten Studie, veröffentlicht in der Zeitschrift Physical Review Letters, haben die Forscher ermittelt, wie viel Energie es braucht, um einen einzelnen Elektronenspin innerhalb dieses ferromagnetischen Zustands umzudrehen. Diese "Austauschenergie" ist signifikant, da sie die Stabilität des Ferromagnetismus beschreibt.

"Wir haben Molybdändisulfid mit einem Laser angeregt und die von ihm emittierten spektralen Linien analysiert", erklärt Dr. Nadine Leisgang, Hauptautorin der Studie. Da jede spektrale Linie einer spezifischen Wellenlänge und Energie entspricht, konnten die Forscher die Austauschenergie bestimmen, indem sie die Separation zwischen spezifischen spektralen Linien gemessen haben. Sie fanden heraus, dass in Molybdändisulfid diese Energie nur etwa 10 Mal kleiner ist als in Eisen - was darauf hindeutet, dass der Ferromagnetismus des Materials sehr stabil ist.

"Obwohl die Lösung einfach erscheint, war es ein erheblicher Detektivarbeit, um die spektralen Linien korrekt zuzuordnen", sagt Warburton.

Zweidimensionale Materialien spielen eine wichtige Rolle in der Materialforschung aufgrund ihrer besonderen physikalischen Eigenschaften, die auf quantenmechanischen Effekten beruhen. Sie können auch gestapelt werden, um "van der Waals-Heterostrukturen" zu bilden.

In dem in dieser Studie gezeigten Beispiel ist die Molybdändisulfidschicht von hexagonalem Bornitrid und Graphen umgeben. Diese Schichten werden durch schwache van-der-Waals-Bindungen zusammengehalten und sind aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften für die Bereiche Elektronik und Optoelektronik interessant. Das Verständnis ihrer elektrischen und optischen Eigenschaften ist entscheidend, um sie für zukünftige Technologien anwenden zu können.