Η έρευνα καταδεικνύει νέο τύπο σιδηρομαγνητισμού με εντελώς διαφορετική ευθυγράμμιση των μαγνητικών ροπών

Για να κολλήσει ένας μαγνήτης στην πόρτα του ψυγείου, πολλά φυσικά εφέ στο εσωτερικό πρέπει να συνεργάζονται τέλεια. Οι μαγνητικές ροπές των ηλεκτρονίων του δείχνουν όλες προς την ίδια κατεύθυνση, παρόλο που κανένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο δεν τους αναγκάζει να το κάνουν.

Αυτό συμβαίνει λόγω της λεγόμενης αλληλεπίδρασης ανταλλαγής, ενός συνδυασμού ηλεκτροστατικής απώθησης μεταξύ ηλεκτρονίων και κβαντομηχανικών επιδράσεων των σπιν ηλεκτρονίων, τα οποία, με τη σειρά τους, είναι υπεύθυνα για τις μαγνητικές ροπές. Αυτή είναι μια κοινή εξήγηση για το γιατί ορισμένα υλικά όπως ο σίδηρος ή το νικέλιο είναι σιδηρομαγνητικά ή μόνιμα μαγνητικά, με την προϋπόθεση ότι δεν τα θερμαίνετε πάνω από μια συγκεκριμένη θερμοκρασία.

Στο ETH Zurich, μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον Ataç Imamoğlu από το Ινστιτούτο Κβαντικής Ηλεκτρονικής και τον Eugene Demler από το Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής ανίχνευσε έναν νέο τύπο σιδηρομαγνητισμού σε ένα τεχνητά παραγόμενο υλικό, στο οποίο η ευθυγράμμιση των μαγνητικών ροπών εμφανίζεται σε ένα εντελώς διαφορετικό τρόπο. Πρόσφατα δημοσίευσαν τα αποτελέσματά τους στο περιοδικό Φύση.

Τεχνητό υλικό γεμάτο ηλεκτρόνια

Στο εργαστήριο Imamoğlu, ο Ph.D. Ο μαθητής Livio Ciorciaro, ο μεταδιδάκτορας Tomasz Smolenski και οι συνεργάτες του παρήγαγαν ένα ειδικό υλικό τοποθετώντας ατομικά λεπτά στρώματα δύο διαφορετικών ημιαγωγών υλικών (δισελενιούχο μολυβδαίνιο και δισουλφίδιο βολφραμίου).

Στο επίπεδο επαφής, οι διαφορετικές σταθερές πλέγματος των δύο υλικών – ο διαχωρισμός μεταξύ των ατόμων τους – οδηγούν στο σχηματισμό ενός δισδιάστατου περιοδικού δυναμικού με μεγάλη σταθερά πλέγματος (τριάντα φορές υψηλότερη από αυτή των δύο ημιαγωγών), που μπορεί να γεμίσει με ηλεκτρόνια εφαρμόζοντας ηλεκτρική τάση.

«Τέτοια υλικά moiré έχουν προσελκύσει μεγάλο ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια, επειδή μπορούν πολύ καλά να χρησιμοποιηθούν για τη μελέτη των κβαντικών επιδράσεων των ηλεκτρονίων που αλληλεπιδρούν έντονα», εξηγεί ο Imamoğlu. «Ωστόσο, μέχρι τώρα, πολύ λίγα ήταν γνωστά για τις μαγνητικές τους ιδιότητες».

Για να μελετήσουν αυτές τις μαγνητικές ιδιότητες, ο Imamoğlu και οι συνεργάτες του μέτρησαν εάν, για ένα συγκεκριμένο ηλεκτρόνιο που γέμιζε το υλικό του μουαρέ, ήταν παραμαγνητικό, με τις μαγνητικές του ροπές τυχαία προσανατολισμένες ή σιδηρομαγνητικό. Φώτισαν το υλικό με φως λέιζερ και μέτρησαν πόσο έντονα αντανακλάται το φως για διαφορετικές πολώσεις.

Η πόλωση υποδεικνύει σε ποια κατεύθυνση ταλαντώνεται το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο του φωτός του λέιζερ και, ανάλογα με τον προσανατολισμό των μαγνητικών ροπών (και επομένως τα σπιν των ηλεκτρονίων), το υλικό θα αντανακλά τη μία πόλωση πιο έντονα από την άλλη. Από αυτή τη διαφορά, μπορεί κανείς στη συνέχεια να υπολογίσει εάν οι στροφές δείχνουν προς την ίδια ή διαφορετικές κατευθύνσεις, από τις οποίες μπορεί να προσδιοριστεί η μαγνήτιση.

Εντυπωσιακά στοιχεία

Αυξάνοντας σταθερά την τάση, οι φυσικοί γέμισαν το υλικό με ηλεκτρόνια και μέτρησαν την αντίστοιχη μαγνήτιση. Μέχρι ένα γέμισμα ακριβώς ενός ηλεκτρονίου ανά θέση του πλέγματος moiré (γνωστό και ως μονωτής Mott), το υλικό παρέμεινε παραμαγνητικό. Καθώς οι ερευνητές συνέχισαν να προσθέτουν ηλεκτρόνια στο πλέγμα, συνέβη κάτι απροσδόκητο: το υλικό συμπεριφέρθηκε ξαφνικά σαν σιδηρομαγνήτης.

«Ήταν εντυπωσιακή απόδειξη ενός νέου τύπου μαγνητισμού που δεν μπορεί να εξηγηθεί από την αλληλεπίδραση ανταλλαγής», λέει ο Imamoğlu. Στην πραγματικότητα, εάν η αλληλεπίδραση ανταλλαγής ήταν υπεύθυνη για τον μαγνητισμό, θα έπρεπε να είχε συμβεί με λιγότερα ηλεκτρόνια στο πλέγμα. Επομένως, η ξαφνική εμφάνιση έδειξε ένα διαφορετικό αποτέλεσμα.

Κινητικός μαγνητισμός

Ο Eugene Demler, σε συνεργασία με τον μεταδιδακτορικό φοιτητή Ivan Morera, είχε τελικά την κρίσιμη ιδέα: μπορούσαν να μελετήσουν έναν μηχανισμό που είχε προβλέψει θεωρητικά ο Ιάπωνας φυσικός Yosuke Nagaoka ήδη από το 1966. Σε αυτόν τον μηχανισμό, κάνοντας τις περιστροφές τους να δείχνουν προς την ίδια κατεύθυνση, τα ηλεκτρόνια ελαχιστοποιούν την κινητική τους ενέργεια (ενέργεια κίνησης), η οποία είναι πολύ μεγαλύτερη από την ενέργεια ανταλλαγής.

Στο πείραμα που πραγματοποίησαν οι ερευνητές του ETH, αυτό συμβαίνει μόλις υπάρχουν περισσότερα από ένα ηλεκτρόνια ανά θέση πλέγματος μέσα στο υλικό moiré. Ως αποτέλεσμα, ζεύγη ηλεκτρονίων μπορούν να συνδυαστούν για να σχηματίσουν αυτά που ονομάζονται διπλά. Η κινητική ενέργεια ελαχιστοποιείται όταν τα διπλά μπορούν να διαδοθούν σε ολόκληρο το δίκτυο μέσω της κβαντικής μηχανικής σήραγγας.

Ωστόσο, αυτό είναι δυνατό μόνο εάν τα μεμονωμένα ηλεκτρόνια στο πλέγμα ευθυγραμμίσουν τα σπιν τους σιδηρομαγνητικά, διαφορετικά διαταράσσονται τα φαινόμενα υπέρθεσης της κβαντικής μηχανικής που επιτρέπουν την ελεύθερη διαστολή των διπλών.

«Μέχρι στιγμής, τέτοιοι μηχανισμοί κινητικού μαγνητισμού έχουν ανιχνευθεί μόνο σε συστήματα μοντέλων, για παράδειγμα σε τέσσερις συζευγμένες κβαντικές κουκκίδες», εξηγεί ο Imamoğlu, «αλλά ποτέ σε συστήματα εκτεταμένης στερεάς κατάστασης όπως αυτό που χρησιμοποιούμε».

Ως επόμενο βήμα, θέλει να τροποποιήσει τις παραμέτρους του δικτύου moiré για να προσδιορίσει εάν ο σιδηρομαγνητισμός διατηρείται σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Στο τρέχον πείραμα, αυτό το υλικό έπρεπε ακόμα να ψυχθεί σε ένα δέκατο του βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν.