Het onderzoek toont een nieuw type ferromagnetisme aan met een compleet andere uitlijning van magnetische momenten

Om ervoor te zorgen dat een magneet aan de deur van uw koelkast blijft plakken, moeten verschillende fysieke invloeden daarin perfect samenwerken. De magnetische momenten van hun elektronen wijzen allemaal in dezelfde richting, zelfs als geen extern magnetisch veld hen daartoe dwingt.

Dit wordt veroorzaakt door de zogenaamde uitwisselingsinteractie, een combinatie van elektrostatische afstoting tussen elektronen en kwantummechanische effecten van elektronenspin, die op hun beurt verantwoordelijk zijn voor magnetische momenten. Dit is een veel voorkomende verklaring voor het feit dat sommige materialen, zoals ijzer of nikkel, ferromagnetisch of permanent magnetisch zijn, zolang ze niet boven een bepaalde temperatuur worden verwarmd.

Bij ETH in Zürich heeft een team van onderzoekers onder leiding van Atak Imamoglu van het Instituut voor Quantum Electronics en Eugene Dimmler van het Instituut voor Theoretische Fysica een nieuw type ferromagnetisme ontdekt in een kunstmatig geproduceerd materiaal, waarin de magnetische momenten op één lijn liggen. Het komt op een heel andere manier. Zij onlangs gepubliceerd Hun resultaten worden gepubliceerd in het tijdschrift natuur.

Synthetisch materiaal met elektronenvulling

In het laboratorium van İmamoğlu, Ph.D. student Livio Ciurciaro, postdoc Tomasz Smolenski en collega’s produceerden een speciaal materiaal door atomair dunne lagen van twee verschillende halfgeleidermaterialen (molybdeendiselenide en wolfraamdisulfide) op elkaar te leggen.

Op contactniveau leiden de verschillende roosterconstanten van de twee materialen (dat wil zeggen de scheiding tussen hun atomen) tot de vorming van een tweedimensionaal periodiek potentieel met een grote roosterconstante (dertig keer groter dan die van een halfgeleider), die kan worden gevuld met elektronen door een elektrische potentiaal aan te leggen.

“Dergelijke golvende materialen hebben de afgelopen jaren grote belangstelling getrokken, omdat ze kunnen worden gebruikt om de kwantumeffecten van sterk op elkaar inwerkende elektronen heel goed te bestuderen”, zegt Imamoglu. “Tot nu toe was er echter heel weinig bekend over hun magnetische eigenschappen.”

Om deze magnetische eigenschappen te onderzoeken, hebben Imamoglu en zijn collega’s gemeten of, voor een bepaald elektron dat het materiaal vult, een moiré-materiaal paramagnetisch is, met zijn magnetische momenten willekeurig georiënteerd, of ferromagnetisch. Ze belichtten het materiaal met laserlicht en maten hoe sterk het licht werd gereflecteerd bij verschillende polarisaties.

Polarisatie heeft betrekking op de richting waarin het elektromagnetische veld van laserlicht oscilleert, en afhankelijk van de richting van de magnetische momenten – en dus de elektronenspin – zal het materiaal de ene polarisatie sterker reflecteren dan de andere. Uit dit verschil kan vervolgens worden berekend of de spins in dezelfde richting of in verschillende richtingen wijzen, waaruit de magnetisatie kan worden bepaald.

Afsluitend bewijs

Door de spanning gestaag te verhogen, vulden natuurkundigen het materiaal met elektronen en maten de bijbehorende magnetisatie. Totdat precies één elektron elke plek van het moirérooster (ook bekend als de Mott-isolator) vulde, bleef het materiaal gemagnetiseerd. Terwijl de onderzoekers elektronen aan het rooster bleven toevoegen, gebeurde er iets onverwachts: het materiaal begon zich plotseling als een ferromagneet te gedragen.

“Het was treffend bewijs van een nieuw soort magnetisme dat niet kan worden verklaard door uitwisselingsinteractie”, zegt Imamoglu. Als een uitwisselingsreactie verantwoordelijk is voor het magnetisme, zou deze in feite moeten plaatsvinden met minder elektronen in het rooster. Het plotselinge begin duidt dus op een ander effect.

Kinetisch magnetisme

Uiteindelijk kwam Eugene Demmler, in samenwerking met postdoc Ivan Moreira, op een cruciaal idee: ze konden een mechanisme onderzoeken dat de Japanse natuurkundige Yusuke Nagaoka al in 1966 theoretisch had voorspeld. Naar dat mechanisme, door hun spins in dezelfde richting te laten wijzen , verminderen elektronen hun kinetische energie (bewegingsenergie), die veel groter is dan de uitwisselingsenergie.

In het experiment van de ETH-onderzoekers gebeurt dit zodra er meer dan één elektron per roosterplaats in het golfmateriaal aanwezig is. Als gevolg hiervan kunnen elektronenparen zich combineren om zogenaamde dubloenen te vormen. Kinetische energie wordt tot een minimum beperkt wanneer de diodes zich via kwantummechanische tunneling over het hele netwerk voortplanten.

Dit is echter alleen mogelijk als de afzonderlijke elektronen in het rooster hun spin magnetisch uitlijnen, anders worden de effecten van kwantummechanische superpositie die de vrije uitzetting van dubloenen mogelijk maken verstoord.

‘Tot nu toe zijn dergelijke mechanismen voor kinetisch magnetisme alleen ontdekt in modelsystemen, bijvoorbeeld in vier gekoppelde kwantumdots, maar nooit in uitgebreide vaste-stofsystemen zoals degene die we gebruiken’, zegt Imamoglu.

Als volgende stap wil hij de parameters van het moirénetwerk veranderen om te controleren of ferromagnetisme behouden blijft voor hogere temperaturen; In het huidige experiment moet het materiaal nog worden afgekoeld tot een tiende graad boven het absolute nulpunt.