Quantumeffecten ontketenen nieuwe magnetische eigenschappen

Het tweedimensionale halfgeleidermateriaal molybdeendisulfide is gevuld met elektronen (rode bollen). De elektron-elektron interactie zorgt ervoor dat de spins van alle elektronen (rode pijlen) zich in dezelfde richting uitlijnen. De uitwisselingsenergie die nodig is om de spin van een enkel elektron om te keren in de ferromagnetische toestand kan worden bepaald door de scheiding tussen twee specifieke spectrale lijnen. Credit: N. Leisgang, Harvard Universiteit, voorheen Afdeling Natuurkunde, Universiteit van Basel/Scixel

Uit een onderzoek is gebleken dat het toepassingsgebied van ferromagnetische materialen is uitgebreid om molybdeendisulfide op te nemen, waaruit blijkt dat het onder bepaalde omstandigheden vergelijkbare eigenschappen als ijzer kan vertonen. Dit omvat het meten van de energie die nodig is om de spins van de elektronen te wijzigen, waarbij de potentiële stabiliteit en bruikbaarheid worden benadrukt.

Ferromagnetisme is een belangrijk fysisch fenomeen dat een sleutelrol speelt in veel technologieën. Het is algemeen bekend dat metalen zoals ijzer, kobalt en nikkel magnetisch zijn bij kamertemperatuur omdat hun elektronenspins evenwijdig zijn uitgelijnd — en pas bij zeer hoge temperaturen verliezen deze materialen hun magnetische eigenschappen.

Onderzoekers onder leiding van Professor Richard Warburton van de Afdeling Natuurkunde en het Zwitserse Nanowetenschapsinstituut van de Universiteit van Basel hebben aangetoond dat molybdeendisulfide ook onder bepaalde omstandigheden ferromagnetische eigenschappen vertoont. Wanneer dit materiaal wordt blootgesteld aan lage temperaturen en een extern magnetisch veld, wijzen alle elektronspins in dezelfde richting.

In hun laatste studie, gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters, hebben de onderzoekers bepaald hoeveel energie nodig is om de spin van een individueel elektron om te keren binnen deze ferromagnetische toestand. Deze “uitwisselingsenergie” is significant omdat het de stabiliteit van het ferromagnetisme beschrijft.

“We hebben molybdeendisulfide geëxciteerd met een laser en de spectrale lijnen geanalyseerd die het uitstraalde,” legt Dr. Nadine Leisgang, hoofdauteur van de studie, uit. Aangezien elke spectrale lijn overeenkomt met een specifieke golflengte en energie, konden de onderzoekers de uitwisselingsenergie bepalen door de scheiding tussen specifieke spectrale lijnen te meten. Ze ontdekten dat in molybdeendisulfide deze energie slechts ongeveer 10 keer kleiner is dan in ijzer — wat aangeeft dat het ferromagnetisme van het materiaal zeer stabiel is.

“Hoewel de oplossing eenvoudig lijkt, heeft het aanzienlijke speurwerk gekost om de spectrale lijnen correct toe te wijzen,” zegt Warburton.

Tweedimensionale materialen spelen een belangrijke rol in materiaalonderzoek dankzij hun speciale fysische eigenschappen, die het gevolg zijn van kwantummechanische effecten. Ze kunnen ook gestapeld worden om “van der Waals heterostructuren” te vormen.

In het voorbeeld dat in deze studie wordt gezien, wordt de laag molybdeendisulfide omringd door hexagonaal boornitride en grafeen. Deze lagen worden bijeengehouden door zwakke van der Waals bindingen en zijn interessant op het gebied van elektronica en opto-elektronica vanwege hun unieke eigenschappen. Het begrijpen van hun elektrische en optische eigenschappen is essentieel om ze toe te passen in toekomstige technologieën.