Naukowcy z Uniwersytetu w Bazylei przyjrzeli się, w jaki sposób można lepiej zrozumieć ferromagnetyczne właściwości elektronów w dwuwymiarowym półprzewodniku, disiarczku molibdenu. Odkryli zaskakująco prosty sposób pomiaru energii potrzebnej do odwrócenia spinu elektronu.
Ferromagnetyzm to ważne zjawisko fizyczne, które odgrywa kluczową rolę w wielu technologiach. Wiadomo, że metale takie jak żelazo, kobalt i nikiel są magnetyczne w temperaturze pokojowej, ponieważ ich spiny elektronowe są ustawione równolegle – i tylko w bardzo wysokich temperaturach materiały te tracą swoje właściwości magnetyczne.
Naukowcy pod przewodnictwem profesora Richarda Warburtona z Wydziału Fizyki i Szwajcarskiego Instytutu Nanonauki Uniwersytetu w Bazylei wykazali, że disiarczek molibdenu wykazuje również właściwości ferromagnetyczne w pewnych warunkach. Poddany działaniu niskich temperatur i zewnętrznego pola magnetycznego, spiny elektronów w tym materiale są skierowane w tym samym kierunku.
W ich najnowszym badaniu opublikowanym w czasopiśmie Listy z przeglądem fizycznymbadacze ustalili, ile energii potrzeba, aby odwrócić spin pojedynczego elektronu w tym stanie ferromagnetycznym. Ta „energia wymiany” jest istotna, ponieważ opisuje stabilność ferromagnetyzmu.
Praca detektywistyczna przyniosła proste rozwiązanie
„Pobudziliśmy disiarczek molibdenu za pomocą lasera i przeanalizowaliśmy 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, naukowcy byli w stanie określić energię wymiany, mierząc separację między określonymi liniami widmowymi. Odkryli, że w disiarczku molibdenu energia ta jest tylko około 10 razy mniejsza niż w żelazie — co wskazuje, że ferromagnetyzm materiału jest wysoce stabilny.
„Choć rozwiązanie wydaje się proste, to jednak prawidłowe przypisanie linii widmowych wymagało sporej pracy detektywistycznej” – mówi Warburton.
Materiały dwuwymiarowe
Materiały 2D odgrywają kluczową rolę w badaniach nad materiałami dzięki swoim szczególnym właściwościom fizycznym, które są wynikiem efektów mechaniki kwantowej. Mogą być również układane 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 utrzymywane razem przez słabe wiązania van der Waalsa i są interesujące w dziedzinie elektroniki i optoelektroniki dzięki swoim unikalnym właściwościom. Zrozumienie ich właściwości elektrycznych i optycznych jest kluczowe, aby zastosować je w przyszłych technologiach.
Oryginalna publikacja
Nadine Leisgang, Dmitry Miserev, Hinrich Mattiat, Lukas Schneider, Lukas Sponfeldner, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Martino Poggio i Richard J. Warburton
Energia wymiany ferromagnetycznego stanu podstawowego elektronów w półprzewodniku monowarstwowym
Listy z przeglądu fizycznego (2024), doi: 10.1103/PhysRevLett.133.026501
