Efekty kwantowe uwalniają nowe właściwości magnetyczne

Dwuwymiarowy materiał półprzewodnikowy, dwusiarczek molibdenu, jest wypełniony elektronami (czerwone kule). Oddziaływanie elektron-elektron powoduje, że spiny wszystkich elektronów (czerwone strzałki) ustawiają się w tym samym kierunku. Energię wymiany wymaganą do zmiany spinu pojedynczego elektronu w stan ferromagnetyczny można określić poprzez oddzielenie dwóch określonych linii widmowych. Źródło: N. Leisgang, Uniwersytet Harvarda, dawniej Wydział Fizyki, Uniwersytet w Bazylei/Scixel

Badanie rozszerzyło zakres materiałów ferromagnetycznych o dwusiarczek molibdenu, wykazując, że w pewnych warunkach może on wykazywać właściwości podobne do żelaza. Obejmuje to pomiar energii potrzebnej do modyfikacji spinów elektronów, podkreślając jego potencjalną stabilność i użyteczność.

Ferromagnetyzm jest ważnym zjawiskiem fizycznym, które odgrywa kluczową rolę w wielu technologiach. Powszechnie wiadomo, że metale takie jak żelazo, kobalt i nikiel są magnetyczne w temperaturze pokojowej, ponieważ ich spiny elektronów są ułożone równolegle – i dopiero w bardzo wysokich temperaturach materiały te tracą swoje właściwości magnetyczne.

Naukowcy pod kierunkiem profesora Richarda Warburtona z Wydziału Fizyki i Szwajcarskiego Instytutu Nanonauki Uniwersytetu w Bazylei wykazali, że dwusiarczek molibdenu w pewnych warunkach wykazuje również właściwości ferromagnetyczne. Pod wpływem niskich temperatur i zewnętrznego pola magnetycznego elektrony wirują w tym materiale i wszystkie są skierowane w tym samym kierunku.

W swoim najnowszym badaniu, opublikowanym w czasopiśmie Physical Review Letters, naukowcy ustalili, ile energii potrzeba, aby odwrócić spin pojedynczego elektronu w tym stanie ferromagnetycznym. Ta „energia wymiany” jest istotna, ponieważ opisuje stabilność ferromagnetyzmu.

„Ekscytowaliśmy dwusiarczek molibdenu za pomocą lasera i analizowaliśmy emitowane przez niego linie widmowe” – wyjaśnia dr Nadine Leisgang, główna autorka badania. Biorąc pod uwagę, że każda linia widmowa odpowiada określonej długości fali i energii, badacze byli w stanie określić energię wymiany, mierząc odległość między określonymi liniami widmowymi. Odkryli, że w przypadku dwusiarczku molibdenu energia ta jest tylko około 10 razy mniejsza niż w żelazie, co wskazuje, że ferromagnetyzm materiału jest wysoce stabilny.

„Chociaż rozwiązanie wydaje się proste, prawidłowe przydzielenie linii widmowych wymagało sporo pracy detektywistycznej” – mówi Warburton.

Materiały dwuwymiarowe odgrywają kluczową rolę w badaniach materiałowych ze względu na swoje szczególne właściwości fizyczne, będące efektem efektów mechaniki kwantowej. Można je również układać w stosy, tworząc „heterostruktury van der Waalsa”.

W przykładzie przedstawionym w tym badaniu warstwa dwusiarczku molibdenu jest otoczona heksagonalnym azotkiem boru i grafenem. Warstwy te są spajane słabymi wiązaniami van der Waalsa i dzięki swoim unikalnym właściwościom cieszą się zainteresowaniem w dziedzinie elektroniki i optoelektroniki. Zrozumienie ich właściwości elektrycznych i optycznych jest niezbędne, aby zastosować je w przyszłych technologiach.