Новое исследование показывает, что при экстремальном давлении графеноподобный 2D-материал может переключаться с изолятора на проводник.

Более глубокое понимание сверхпроводимости может быть на горизонте благодаря открытию новой формы магнетизма. Группа исследователей под руководством ученых из Кембриджского университета обнаружила еще не обнаруженные магнитные явления в материале, названном «магнитный графен», который был впервые синтезирован в 1960-х годах

.

Магнитный графен – формально называемый FePS ₃ – похож на традиционный графен в том, что это тонкий слой углеродного аллотропа, который является проводящим, прочным и гибким. Основное различие между двумя двумерными материалами заключается в том, что FePS ₃ является магнитным, а «традиционный» графен – нет.

Кембриджская группа обнаружила, что когда FePS ₃ сжимается, он принимает металлическое состояние и, таким образом, переходит от изолятора к проводнику. Команда считает, что эта магнитная фаза высокого давления, вероятно, является предшественником сверхпроводимости, но в настоящее время не может оказать достаточное давление, чтобы вызвать этот дополнительный фазовый сдвиг.

Выводы команды, опубликованные в журнале Physical Review X¹, могут иметь значительные преимущества в области вычислений. Ученые давно ищут двумерный магнитный материал, который можно интегрировать с графеном для использования в магнитных хранилищах данных и спиновой электронике в твердотельных устройствах – спинтронике. В свою очередь, это может изменить способ обработки информации компьютерами.

То, что мы преследуем, – это сверхпроводимость. Если мы сможем найти тип сверхпроводимости, связанный с магнетизмом в двумерном материале, это может дать нам шанс решить проблему, которая возникла несколько десятилетий назад.

Д-р. Сиддхарт Саксена, соавтор статьи и руководитель группы лаборатории Кавендиша

Металл под давлением

Ученые уже некоторое время осознают, что материя может изменять свои свойства, часто довольно резко, когда изменяется размерно. Примером этого также является применение огромного давления; и уголь, и алмаз состоят из атомов углерода, но разная структура и размерность между ними приводят к очень разным свойствам.

Команда хотела знать, можно ли добавить магнетизм к этому списку регулируемых свойств.

Представьте, если бы вы также могли изменить все эти свойства, добавив магнетизм. Механически гибкий материал мог бы сформировать новый вид схемы для хранения информации и выполнения вычислений . Вот почему эти материалы так интересны, и потому, что они резко меняют свои свойства под давлением, чтобы мы могли контролировать их поведение.

Д-р. Мэтью Коук, первый автор статьи из Уорикского университета и лаборатории Кавендиша, Кембридж

Исследователи, включая Коука и его коллегу по Кавендишской лаборатории Себастьяна Хейнса, уже обнаружили, что FePS ₃ может превращаться в металл под высоким давлением². Им также удалось описать изменения, которые происходят в кристаллической структуре 2D-материала и расположении атомов во время процесса.

«Однако недостающий элемент остался, магнетизм», – добавляет Коук . «Не имея экспериментальных методов, позволяющих исследовать признаки магнетизма в этом материале при таком высоком давлении, нашей международной команде пришлось разработать и протестировать наши собственные новые методы, чтобы сделать это возможным».

Новая техника для выявления магнетизма из FePS ₃

Получение FePS ₃ для принятия магнитных свойств потребовало, чтобы команда поместила 2D-материал под искусственно созданное высокое давление, которое побило рекорды, с использованием специально разработанной «алмазной наковальни». Команда также использовала нейтроны – нейтральные частицы, которые находятся рядом с протонами в атомном ядре – чтобы исследовать эволюцию материала от металла к магнитному материалу.

К удивлению команды, они обнаружили, что магнетизм не только сохранился в материале, но и, похоже, в некотором роде усилился. В предыдущем исследовании, опубликованном в Physical Review Letters, команда обнаружила, что электроны фактически заморожены на месте до тех пор, пока они не будут вынуждены течь. По мере протекания взаимодействие между ними увеличивалось.

«Это неожиданно», – говорит Саксена. «Поскольку недавно свободно перемещающиеся электроны в новом проводящем материале больше не могут быть привязаны к их родительским атомам железа, создавая там магнитные моменты – если только проводимость не исходит из неожиданного источника».

Пока магнетизм выживает, команда обнаружила, что он начинает приобретать новые квантовые свойства, становясь по существу совершенно новым магнитным материалом.

Квантовый ключ к магнитным материалам

Многие свойства материалов определяются тем, как движутся их электроны. С другой стороны, магнитные свойства регулируются «спином» – квантовым свойством, которое имеет мало общего с угловым моментом, подобным спину в макроскопическом мире, – который заставляет электроны выстраиваться в общем направлении.

Таким образом, вращение и его манипуляции имеют решающее значение в современных магнитных устройствах хранения данных. Использование спина и лучший контроль – ключ к будущим достижениям в вычислительной технике, особенно когда дело касается обработки информации.

Лучшее манипулирование 2D-материалами может зависеть от понимания движения электронов и их спина, а также от того, как этими качествами можно управлять – своего рода «квантовая многофункциональность».

Теперь команда приступит к экспериментам с различным химическим составом, чтобы уменьшить давление, необходимое для переключения магнитного переключателя. Мы надеемся, что это сделает переход к сверхпроводимости достижимым.

«Мы не знаем точно, что происходит на квантовом уровне, но в то же время мы можем манипулировать этим», – объясняет Саксена. «Как и другие известные« неизвестные неизвестные », мы открыли новую дверь в свойства квантовой информации, но мы еще не знаем, какими могут быть эти свойства».

Ссылки

1. Коук. М. Дж., Джарвис. Д. М., Хамидов. Х., и др. [2021]«Новые магнитные фазы в настроенном по давлению ван-дер-ваальсовом антиферромагнетике FePS3», Physical Review X [https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.011024]
2. Хейнс. С. Р. С., Coak. M. J., Wildes. AR, и др. [2019]«Эволюция электронной и структурной фазы под давлением в ван-дер-ваальсовом соединении FePS3», Physical Review Letters, [https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.266801]

Отказ от ответственности: мнения, выраженные здесь, принадлежат автору, выраженному в их личном качестве, и не обязательно отражают точку зрения AZoM.com Limited T / A AZoNetwork, владельца и оператора этого веб-сайта. Этот отказ от ответственности является частью Условий использования этого веб-сайта.