"Magnetisches Graphen" bildet eine neue Art von Magnetismus
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Forscher haben in sogenanntem magnetischem Graphen eine neue Form des Magnetismus entdeckt, die den Weg zum Verständnis der Supraleitung in dieser ungewöhnlichen Materialart weisen könnte.
Den Forschern unter der Leitung der Universität Cambridge ist es gelungen, die Leitfähigkeit und den Magnetismus von Eisenthiophosphat (FePS3) zu kontrollieren, einem zweidimensionalen Material, das beim Zusammendrücken von einem Isolator in ein Metall übergeht. Diese Klasse magnetischer Materialien bietet neue Wege zum Verständnis der Physik neuer magnetischer Zustände und der Supraleitung.
Mithilfe neuer Hochdrucktechniken haben die Forscher gezeigt, was mit dem magnetischen Graphen beim Übergang vom Isolator zum Leiter und in den unkonventionellen metallischen Zustand geschieht, der nur unter ultrahohen Druckbedingungen möglich ist. Wenn das Material metallisch wird, bleibt es magnetisch, was im Gegensatz zu früheren Ergebnissen steht und Aufschluss darüber gibt, wie die elektrische Leitung in der metallischen Phase funktioniert. Die neu entdeckte magnetische Hochdruckphase bildet wahrscheinlich einen Vorläufer der Supraleitung, so dass das Verständnis ihrer Mechanismen von entscheidender Bedeutung ist.
Die in der Fachzeitschrift Physical Review X veröffentlichten Ergebnisse zeigen auch einen Weg auf, wie neue Materialien mit kombinierten Leitungs- und Magneteigenschaften entwickelt werden könnten, was für die Entwicklung neuer Technologien wie der Spintronik von Nutzen sein könnte, die die Art und Weise, wie Computer Informationen verarbeiten, verändern könnte.
Die Eigenschaften von Materie können sich mit zunehmender Dimensionalität drastisch verändern. So bestehen beispielsweise Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhren, Graphit und Diamant alle aus Kohlenstoffatomen, haben aber aufgrund ihrer unterschiedlichen Struktur und Dimensionalität sehr unterschiedliche Eigenschaften.
"Stellen Sie sich vor, Sie könnten all diese Eigenschaften durch Hinzufügen von Magnetismus verändern", so der Erstautor Dr. Matthew Coak, der am Cavendish Laboratory in Cambridge und an der University of Warwick tätig ist. "Ein Material, das mechanisch flexibel sein und eine neue Art von Schaltkreisen bilden könnte, um Informationen zu speichern und Berechnungen durchzuführen. Deshalb sind diese Materialien so interessant, und weil sie ihre Eigenschaften drastisch verändern, wenn sie unter Druck gesetzt werden, so dass wir ihr Verhalten kontrollieren können."
In einer früheren Studie von Sebastian Haines vom Cavendish Laboratory und der Abteilung für Geowissenschaften haben die Forscher festgestellt, dass das Material bei hohem Druck zu einem Metall wird, und beschrieben, wie sich die Kristallstruktur und die Anordnung der Atome in den Schichten dieses 2D-Materials durch den Übergang verändern.
"Das fehlende Stück ist jedoch geblieben: der Magnetismus", sagt Coak. "Da es keine experimentellen Techniken gibt, mit denen die Signaturen des Magnetismus in diesem Material bei so hohen Drücken untersucht werden können, musste unser internationales Team unsere eigenen neuen Techniken entwickeln und testen, um dies zu ermöglichen."
Die Forscher setzten neue Techniken ein, um die magnetische Struktur bis zu rekordverdächtig hohen Drücken zu messen, wobei sie speziell entwickelte Diamantambosse und Neutronen als Sonde für den Magnetismus einsetzten. Anschließend konnten sie die Entwicklung des Magnetismus bis hin zum metallischen Zustand verfolgen.
"Zu unserer Überraschung stellten wir fest, dass der Magnetismus erhalten bleibt und in gewisser Weise sogar verstärkt wird", so Mitautor Dr. Siddharth Saxena, Gruppenleiter am Cavendish Laboratory. "Das ist unerwartet, da die nun frei umherziehenden Elektronen in einem neu leitenden Material nicht mehr an ihre Eltern-Eisenatome gebunden werden können und dort magnetische Momente erzeugen - es sei denn, die Leitung kommt von einer unerwarteten Quelle."
In ihrer früheren Arbeit zeigten die Forscher, dass diese Elektronen in gewisser Weise "eingefroren" waren. Als sie sie jedoch zum Fließen oder zur Bewegung brachten, begannen sie mehr und mehr zu interagieren. Der Magnetismus bleibt erhalten, wird aber in neue Formen umgewandelt und führt zu neuen Quanteneigenschaften in einer neuen Art von magnetischem Metall.
Wie sich ein Material verhält, ob als Leiter oder Isolator, hängt hauptsächlich davon ab, wie sich die Elektronen, also die Ladung, bewegen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass der "Spin" der Elektronen die Quelle des Magnetismus ist. Durch den Spin verhalten sich die Elektronen ein wenig wie winzige Stabmagnete und zeigen in eine bestimmte Richtung. Der Magnetismus, der durch die Anordnung der Elektronenspins entsteht, wird in den meisten Speichergeräten genutzt: Seine Nutzung und Kontrolle ist wichtig für die Entwicklung neuer Technologien wie der Spintronik, die die Art und Weise, wie Computer Informationen verarbeiten, verändern könnte.
"Die Kombination der beiden, der Ladung und des Spins, ist der Schlüssel zum Verhalten dieses Materials", sagt Mitautor Dr. David Jarvis vom Institut Laue-Langevin, Frankreich, der diese Arbeit als Grundlage seiner Doktorarbeit am Cavendish Laboratory durchgeführt hat. "Die Entdeckung dieser Art von Quanten-Multifunktionalität ist ein weiterer Schritt nach vorn bei der Erforschung dieser Materialien.
"Wir wissen nicht genau, was auf der Quantenebene passiert, aber gleichzeitig können wir es manipulieren", so Saxena. "Es ist wie mit den berühmten 'unbekannten Unbekannten': Wir haben eine neue Tür zu den Eigenschaften der Quanteninformation geöffnet, aber wir wissen noch nicht, was diese Eigenschaften sein könnten."
Artikel aus 2021, Quelle:
https://www.cam.ac.uk/research/news/magnetic-graphene-forms-a-new-kind-of-magnetism