Physiker entdecken und erklären unerwarteten Magnetismus in atomar dünnem Material

MIT-Physiker haben ein neues ultradünnes, zweidimensionales Material mit ungewöhnlichen magnetischen Eigenschaften geschaffen, das sie zunächst überraschte, bevor sie das komplizierte Rätsel hinter der Entstehung dieser Eigenschaften lösten. Damit stellt die Arbeit eine neue Plattform für die Untersuchung des Verhaltens von Materialien auf der grundlegendsten Ebene, der Welt der Quantenphysik, vor.

Ultradünne Materialien, die aus einer einzigen Atomschicht bestehen, haben seit der Entdeckung des ersten Materials dieser Art – Graphen, das aus Kohlenstoff besteht – vor etwa 20 Jahren die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler auf sich gezogen. Seitdem haben Forscher neben anderen Fortschritten herausgefunden, dass das Stapeln einzelner Schichten der 2D-Materialien und manchmal auch deren leichtes Verdrehen zueinander ihnen neue Eigenschaften verleihen kann, von Supraleitung bis hin zu Magnetismus. Betreten Sie das Gebiet der Twistronik, das am MIT von Pablo Jarillo-Herrero, dem Cecil und Ida Green-Professor für Physik am MIT, entwickelt wurde.

In der aktuellen Forschung, berichtet in der Ausgabe vom 7. Januar von NaturphysikDie Wissenschaftler unter der Leitung von Jarillo-Herrero arbeiteten mit drei Lagen Graphen. Jede Schicht wurde im gleichen Winkel über die nächste gedreht, wodurch eine helikale Struktur entstand, die der DNA-Helix oder einer Hand aus drei aufgefächerten Karten ähnelt.

„Helizität ist ein grundlegendes Konzept in der Wissenschaft, von der Grundlagenphysik bis zur Chemie und Molekularbiologie. Mit 2D-Materialien kann man spezielle helikale Strukturen mit neuartigen Eigenschaften erzeugen, die wir gerade erst zu verstehen beginnen. Diese Arbeit stellt eine neue Wendung auf dem Gebiet dar.“ „twistronics und die Community sind sehr gespannt, was wir mit dieser Plattform für helikale Materialien sonst noch entdecken können“, sagt Jarillo-Herrero, der auch dem Materials Research Laboratory des MIT angehört.

Machen Sie die Drehung

Twistronics kann zu neuen Eigenschaften in ultradünnen Materialien führen, da die Anordnung von Schichten aus 2D-Materialien auf diese Weise zu einem einzigartigen Muster führt, das als Moiré-Gitter bezeichnet wird. Und ein Moiré-Muster wiederum hat Auswirkungen auf das Verhalten von Elektronen.

„Es verändert das Spektrum der Energieniveaus, die den Elektronen zur Verfügung stehen, und kann die Bedingungen für die Entstehung interessanter Phänomene schaffen“, sagt Sergio C. de la Barrera, einer von drei Co-Erstautoren der aktuellen Arbeit. De la Barrera, der die Arbeit als Postdoktorand am MIT durchführte, ist jetzt Assistenzprofessor an der University of Toronto.

In der aktuellen Arbeit bildet die durch die drei Graphenschichten erzeugte helikale Struktur zwei Moiré-Gitter. Eines entsteht durch die ersten beiden überlappenden Blätter; der andere wird zwischen dem zweiten und dritten Blatt gebildet.

Die beiden Moiré-Muster bilden zusammen ein drittes Moiré, ein Supermoiré oder „Moiré eines Moirés“, sagt Li-Qiao Xia, ein Doktorand der MIT-Physik und einer der drei Co-Erstautoren der Arbeit. „Es ist wie eine Moiré-Hierarchie.“

Während die ersten beiden Moiré-Muster nur Nanometer oder Milliardstel Meter groß sind, erscheint das Supermoiré in einer Größenordnung von Hunderten von Nanometern und überlagert die beiden anderen. Sie können es nur sehen, wenn Sie herauszoomen, um einen viel größeren Blick auf das System zu erhalten.

Eine große Überraschung

Die Physiker erwarteten, Signaturen dieser Moiré-Hierarchie zu beobachten. Eine große Überraschung erlebten sie jedoch, als sie ein Magnetfeld anlegten und veränderten. Das System reagierte mit einer experimentellen Signatur für Magnetismus, die aus der Bewegung von Elektronen entsteht. Tatsächlich hielt dieser Orbitalmagnetismus bis zu -263 °C an – der höchsten Temperatur, die bisher für kohlenstoffbasierte Materialien gemessen wurde.

Aber dieser Magnetismus kann nur in einem System auftreten, dem eine bestimmte Symmetrie fehlt – eine, die das neue Material des Teams hätte haben sollen. „Die Tatsache, dass wir das gesehen haben, war sehr rätselhaft. Wir haben nicht wirklich verstanden, was vor sich ging“, sagt Aviram Uri, Postdoktorand in Physik am MIT Pappalardo und dritter Co-Erstautor der neuen Arbeit.

Weitere Autoren des Papiers sind der MIT-Professor für Physik Liang Fu; Aaron Sharpe von den Sandia National Laboratories; Yves H. Kwan von der Princeton University; Ziyan Zhu, David Goldhaber-Gordon und Trithep Devakul aus Stanford; und Kenji Watanabe und Takashi Taniguchi vom National Institute for Materials Science in Japan.

Was geschah?

Es stellt sich heraus, dass das neue System tatsächlich die Symmetrie gebrochen hat, die den vom Team beobachteten Orbitalmagnetismus verhindert, allerdings auf sehr ungewöhnliche Weise. „Was passiert, ist, dass sich die Atome in diesem System nicht sehr wohl fühlen, also bewegen sie sich auf eine subtil orchestrierte Art und Weise, die wir Gitterrelaxation nennen“, sagt Xia. Und die neue Struktur, die durch diese Entspannung entsteht, bricht tatsächlich lokal die Symmetrie auf der Moiré-Längenskala.

Dies eröffnet die Möglichkeit für den vom Team beobachteten Orbitalmagnetismus. Wenn Sie jedoch herauszoomen, um das System im Supermoiré-Maßstab zu betrachten, wird die Symmetrie wiederhergestellt.

„Es stellt sich heraus, dass die Moiré-Hierarchie interessante Phänomene auf unterschiedlichen Längenskalen unterstützt“, sagt de la Barrera.

Uri kommt zu dem Schluss: „Es macht viel Spaß, ein Rätsel zu lösen, und es ist eine so elegante Lösung. Wir haben neue Erkenntnisse darüber gewonnen, wie sich Elektronen in diesen komplexen Systemen verhalten, Erkenntnisse, die wir ohne unsere experimentellen Beobachtungen nicht hätten gewinnen können.“ Denken Sie über diese Dinge nach.