Onderzoek toont aan hoe kleine hoeveelheden rek kunnen worden gebruikt om de eigenschappen van een materiaal te beheersen

Nieuw onderzoek naar een atoomdunne halfgeleider laat zien hoe het magnetisme van een materiaal kan worden gecontroleerd met behulp van kleine hoeveelheden spanning. Gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie, biedt deze studie belangrijke inzichten voor toepassingen variërend van nieuwe spintronische apparaten tot snellere harde schijven. Dit onderzoek werd uitgevoerd door afgestudeerde student Zhuoliang Ni en geleid door assistent-professor Liang Wu in samenwerking met Penn’s Charlie Kane en Eugene Mele, evenals onderzoekers van de University of Tennessee, Knoxville, Texas A&M University, de University of Fribourg en Oak Ridge Nationaal laboratorium.

Wu’s laboratorium is voornamelijk gericht op experimenten met topologische materialen. Maar met recente studies over de fotogalvanische effecten van twee metaallegeringen en de ontdekking van exotische deeltjes in kobaltmonosilicide, duikt de nieuwste paper van het laboratorium over mangaanfosfortriselenide (MnPSe3), een halfgeleidend materiaal, in concepten rond symmetrie, een fysisch of wiskundig kenmerk. van een systeem dat niet verandert wanneer het wordt onderworpen aan bepaalde transformaties. Symmetrie is een sleutelbegrip in de natuurkunde, van de behoudswetten tot het gedrag van deeltjes, en staat centraal bij het begrijpen van materialen met controleerbare of schakelbare magnetische toestanden zoals MnPSe3.

Er zijn verschillende soorten magneten. Voor materialen die ferromagnetisch zijn, draaien elektronen allemaal in dezelfde richting en doordrenken het materiaal met spontaan magnetisme waardoor ze zich aan bepaalde soorten metalen kunnen hechten. Daarentegen hebben antiferromagnetische materialen, zoals MnPSe3, een patroon met een gelijk aantal elektronen met op- en neerwaartse spins in een antiparallelle opstelling. Dit heft hun algemene magnetische momenten op, wat betekent dat ze geen extern strooiveld hebben zoals ferromagnetische materialen; ze hebben echter nog steeds elektronen met verschillende spin-oriëntaties.

Bestaande harde schijven zijn afhankelijk van ferromagnetische materialen, waarbij veranderingen in de richtingen van de elektronenspin de bits of de nullen en enen vertegenwoordigen waaruit het geheugen bestaat, maar er is interesse in het ontwikkelen van geheugenapparaten van antiferromagnetische materialen. De informatie die is opgeslagen in ferromagnetische apparaten kan bijvoorbeeld verloren gaan als er een ander magnetisch veld aanwezig is. Deze apparaten zijn ook beperkt in hoe snel ze kunnen werken door de tijd die nodig is om handmatig een beetje te veranderen, in het bereik van nanoseconde. Antiferromagnetische materialen daarentegen kunnen hun spinoriëntatie veel sneller veranderen, in het picoseconde bereik, en zijn ook veel minder gevoelig voor externe magnetische velden.

Maar hoewel antiferromagnetische materialen enkele voordelen hebben, is het werken met dit type materiaal, vooral met een tweedimensionaal materiaal, technisch uitdagend, zegt Wu. Om dit materiaal te bestuderen, moesten Ni en Wu eerst een manier ontwikkelen om minutieuze signalen te meten zonder te veel vermogen te leveren dat het atomair dunne materiaal zou beschadigen. “Door een fotonenteller te gebruiken, konden we de ruis verminderen”, zegt Wu. “Dat is de technische doorbraak die ons in staat heeft gesteld om het antiferromagnetisme in de monolaag te detecteren.”

Met behulp van hun nieuwe beeldvormingsbenadering ontdekten de onderzoekers dat ze het materiaal konden “schakelen” om bij lage temperaturen in een antiferromagnetische fase te zijn. Ze ontdekten ook dat het materiaal minder toestanden had, vergelijkbaar met de bits die in het computergeheugen worden gebruikt, dan verwacht. De onderzoekers observeerden slechts twee toestanden, hoewel, op basis van de rotatiesymmetrie, werd voorspeld dat het zes toestanden zou hebben.

Wu wendde zich tot Kane en Mele om een ​​theorie te bedenken die deze onverwachte resultaten zou kunnen helpen verklaren, en door deze samenwerking realiseerde hij zich de aanzienlijke impact die laterale belasting, zoals uitrekken of afschuiven, zou kunnen hebben op de symmetrie. “Een perfect monster heeft drievoudige rotatiesymmetrie, maar als er iets aan trekt, is het niet meer hetzelfde als je het 120 ° draait”, zegt Kane. “Toen Liang eenmaal suggereerde dat er spanning zou kunnen zijn, was het als theoreticus meteen duidelijk dat twee van de zes domeinen moesten worden uitgekozen.”

Na vervolgexperimenten die hun hypothese bevestigden, waren de onderzoekers bovendien verrast hoe krachtig een kleine hoeveelheid spanning zou kunnen zijn bij het veranderen van de eigenschappen van het materiaal. “In het verleden gebruikten mensen belasting om de draairichting te veranderen, maar in ons geval is het belangrijk dat een kleine hoeveelheid spanning de spin kan beheersen, en dat komt omdat de rol van de soort echt fundamenteel is in de faseovergang in ons geval. , ‘Zegt Wu.

Met dit nieuwe inzicht zeggen de onderzoekers dat deze studie een startpunt zou kunnen zijn voor een betere beheersing van antiferromagnetische eigenschappen met behulp van kleine veranderingen in spanning. Spanning is ook een veel gemakkelijkere eigenschap om te beheersen in deze klasse van materialen, die momenteel een enorm magnetisch veld nodig hebben – in de orde van verschillende tesla – om de rotatierichting van de elektronen te veranderen en zou een soort draaiknop of knop kunnen zijn die de magnetische volgorde zou kunnen veranderen , of het patroon van de spins van het elektron.

“De afwezigheid van strooivelden in antiferromagnetische materialen betekent dat je geen macroscopisch ding hebt dat je kunt gebruiken om het moment te manipuleren”, zegt Mele, “maar er is een zekere mate van interne vrijheid waardoor je het kunt doen door rechtstreeks te koppelen naar de bestelling. “

Om dit materiaal verder te bestuderen, werkt Ni aan verschillende vervolgexperimenten. Dit omvat het kijken of elektrische velden en pulsen de draairichting kunnen veranderen en het evalueren van het gebruik van terahertz-pulsen, de natuurlijke resonantiefrequentie van antiferromagnetische materialen, bij het regelen van zowel de elektronenspinrichting als de schakelsnelheid. “We kunnen mogelijk terahertz gebruiken om de spins te controleren”, zegt Ni over dit systeem, dat ook een expertisegime is voor het Wu-lab. “Terahertz is veel sneller dan gigahertz, en voor de antiferromagnetische spins is het mogelijk dat we terahertz kunnen gebruiken om ultrasnelle omschakeling van de ene staat naar de andere te regelen.”

“Antiferromagnetische materialen bieden nieuwe opwindende mogelijkheden voor het maken van snellere spintronische apparaten voor informatieverwerking, evenals nieuwe manieren voor het efficiënt genereren van terahertz-straling, het deel van het elektromagnetische spectrum dat verder gaat dan 5G draadloze communicatie”, zegt Joe Qiu, programmamanager voor Solid. -State Electronics and Electromagnetics bij het Army Research Office, dat deze studie financierde. “Dit zijn allemaal belangrijke technologieën voor toekomstige elektronische systemen van het leger.”