Kvanteffekter släpper nya magnetiska egenskaper.

Det tvådimensionella halvledarmaterialet molybden disulfid är fyllt med elektroner (röda kulor). Elektron-elektroninteraktionen leder till att spinsen hos alla elektroner (röda pilar) inriktas i samma riktning. Den utbytande energin som krävs för att byta riktning på en enskild elektronspinn i den ferromagnetiska tillståndet kan bestämmas genom avståndet mellan två specifika spektrallinjer. Kredit: N. Leisgang, Harvard University, tidigare Institutionen för fysik, Universitetet i Basel/Scixel

En studie har utökat området för ferromagnetiska material för att inkludera molybden disulfid och visar att det kan uppvisa liknande egenskaper som järn under vissa förhållanden. Detta inkluderar att mäta energin som behövs för att ändra dess elektronspinn, vilket framhäver dess potentiella stabilitet och användbarhet.

Ferromagnetism är ett viktigt fysikaliskt fenomen som spelar en nyckelroll i många teknologier. Det är välkänt att metaller som järn, kobolt och nickel är magnetiska vid rumstemperatur eftersom deras elektronspinn är parallellt riktade, och det är endast vid mycket höga temperaturer som dessa material förlorar sina magnetiska egenskaper.

Forskare ledda av professor Richard Warburton vid Institutionen för fysik och Swiss Nanoscience Institute vid Universitetet i Basel har visat att molybden disulfid också uppvisar ferromagnetiska egenskaper under vissa förhållanden. När det exponeras för låga temperaturer och ett yttre magnetfält är elektronspinnen i detta material alla riktade åt samma håll.

I deras senaste studie, publicerad i tidskriften Physical Review Letters, bestämde forskarna hur mycket energi som krävs för att ändra riktning på en individuell elektronspinn inom detta ferromagnetiska tillstånd. Denna "utbytesenergi" är betydelsefull eftersom den beskriver stabiliteten hos ferromagnetismen.

”Vi exciterade molybden disulfid med en laser och analyserade de spektrallinjer den emitterade,” förklarar Dr. Nadine Leisgang, huvudförfattare till studien. Eftersom varje spektrallinje motsvarar en specifik våglängd och energi kunde forskarna bestämma utbytesenergin genom att mäta avståndet mellan specifika spektrallinjer. De fann att i molybden disulfid är denna energi bara cirka 10 gånger mindre än i järn, vilket tyder på att materialets ferromagnetism är mycket stabil.

”Även om lösningen verkar enkel, krävde det betydande detektivarbete att korrekt tilldela spektrallinjerna,” säger Warburton.

Tvådimensionella material spelar en viktig roll inom materialforskning tack vare sina speciella fysikaliska egenskaper som är resultatet av kvantmekaniska effekter. De kan också staplas för att bilda ”van der Waals heterostrukturer.”

I exemplet i denna studie är molybden disulfidlagret omgivet av hexagonal bornitrid och grafen. Dessa lager hålls samman av svaga van der Waals-bindningar och är av intresse inom elektronik- och optoelektronikfälten tack vare sina unika egenskaper. Att förstå deras elektriska och optiska egenskaper är avgörande för att kunna tillämpa dem inom framtida teknologier.