Fysikere opdager en mærkelig ny form for magnetisme inden for 'magnetisk grafen'

Fra barndommen har vi lært, at verden eksisterer i tre fysiske dimensioner. Det er sandt, for det meste, men det springer over noget ret fascinerende: den mærkelige todimensionelle verden af ​​nanoskala materialer, som 'vidundermaterialet' grafen .

Grafen og dets konstruerede, enkeltlags modstykker eksisterer i virkeligheden i tre dimensioner, omend bare knap – sidder lige på kanten, atomisk set. Det skyldes, at disse såkaldte 2D-materialer kun er ét atom tykke og inkarnerer en utrolig strukturel tyndhed, der giver dem alle mulige mærkelige kræfter.

Det ser vi igrafens formidable styrke, og på måden detnærmer sig superledning.

Tingene bliver endnu mærkeligerenår grafen får venner: stak ark af dette todimensionelle materiale i en trelags, tre atom høj sandwich og ensjælden form for magnetisme står afsløret.

Nu, i en ny undersøgelse ledet af fysikere fra University of Cambridge, har forskere udført den samme slags magnetiske bedrift med et andet todimensionelt materiale kaldet jernfosfortrisulfid (FePS)₃).

(University of Cambridge)

Ovenfor: Illustration af den magnetiske struktur af jernfosfortrisulfid (FePS₃), et todimensionelt materiale, som undergår en overgang fra en isolator til et metal, når det komprimeres.

FePS₃er ikke det samme som grafen – som er sammensat af et enkelt lag af kulstofatomer – men det kaldes ofte 'magnetisk grafen' på grund af dets mystiske egenskaber ved ultratynde, lagdelte dimensioner.

I en tidligere undersøgelse af nogle af de samme forskere, fandt holdet, at når de knuste lag af FePS₃blev udsat for høje trykniveauer, gik materialet fra at være en isolator, der forhindrede strømmen af ​​elektroner, til en metallisk tilstand, hvor det blev en leder.

Men forskere forstod stadig ikke helt, hvad der ligger til grund for den magnetiske opførsel af denne 'magnetiske grafen' under tryk, da det var forventet, at FePS₃ville ophøre med at være magnetisk, når den går ind i den metalliske tilstand.

'Den manglende brik er dog forblevet, magnetismen,' siger kvantefysiker Matthew Coak.

'Uden nogen eksperimentelle teknikker, der kunne undersøge magnetismens signaturer i dette materiale ved så høje tryk, måtte vores internationale team udvikle og teste vores egne nye teknikker for at gøre det muligt.'

Ifølge den nye forskning, FePS₃bevarer sin magnetisme under ekstremt højt tryk på grund af en nyopdaget form for magnetisme, der stadig eksisterer under den metalliske fase.

'Til vores overraskelse fandt vi ud af, at magnetismen overlever og på nogle måder er forstærket,' forklarer seniorforsker og fysiker Siddharth Saxena, gruppeleder ved Cambridges Cavendish Laboratory.

'Dette er uventet, da de nyligt frit omstrejfende elektroner i et nyligt ledende materiale ikke længere kan låses til deres moderjernatomer, hvilket genererer magnetiske momenter der - medmindre ledningen kommer fra en uventet kilde.'

Selvom vi endnu ikke har alle svarene på, hvad der sker her, synes 'spin' af elektronerne i materialet under kompression at være en kilde til magnetisme - og fænomenet kan indstilles afhængigt af hvor meget tryk FePS₃er udsat for.

Selvom resultaterne modsiger tidligere observationer af, hvordan dette materiale burde opføre sig, tyder de overraskelser, der findes her, på, at vi muligvis kan justere magnetisk grafen og dets lignende endnu mere - potentielt ved at finde materialer, der understøtter superledningsevne på grund af disse eksotiske former for magnetisme, forstår vi endnu ikke fuldt ud.

'Vi ved ikke præcis, hvad der sker på kvanteniveau, men samtidig kan vi manipulere det,' siger Saxena .

'Det er ligesom de berømte 'ukendte ukendte': vi har åbnet en ny dør til egenskaber ved kvanteinformation, men vi ved endnu ikke, hvad disse egenskaber kan være.'

Resultaterne er rapporteret i Fysisk gennemgang X .