Przełomowe odkrycia naukowców z Uniwersytetu Rice'a

Naukowcy rozszyfrowują magnony. Spintronika coraz bliżej

Magnony to hipotetyczne kwazicząstki, które odkryto trzy lata temu. Teraz naukowcy z Uniwersytetu Rice’a potwierdzili ich najważniejsze cechy, co może okazać się przydatne do kodowania informacji w spinach elektronów.

Nowe odkrycie, która opisano w Physical Review X pozwala na zrozumienie mechanizmów działania dwuwymiarowych materiałów znanych jako magnesy van der Waalsa. Te wydają się przyszłością spintroniki, czyli odmiany elektroniki, w której poza zmianami w przepływie prądu, brane pod uwagę są również spiny elektronów. Spintronikę powszechnie uważa się za wciąż jeszcze nie do końca zbadaną technologię przyszłości.

Wszystkie twarze spinów

Spin to moment pędu cząstki, wynikający z jej natury kwantowej. W klasycznej fizyce moment pędu to konsekwencja ruchu ciał w przestrzeni, natomiast spin to wewnętrzna właściwość cząstki (jak ładunek elektryczny). Wszystkie rodzaje cząstek elementarnych mają właściwe sobie spiny. Cząstki złożone (np. jądra atomów) mają spin będący sumą wektorową spinów wchodzących w skład jego cząstek elementarnych. Spiny elektronów odgrywają kluczową rolę w wywoływaniu magnetyzmu.

Zespół fizyków z Uniwersytetu Rice’a pod kierownictwem Pengchenga Daia wykazał, że eksperymenty przeprowadzone na dwuwymiarowym materiale złożonym z jodku chromu(III) (CrI3) potwierdziły pochodzenie natury wzbudzeń spinowych, zwanych magnonami. Zostały one odkryte przez ten sam zespół w 2018 roku.

Sprzężenie spin-orbita indukuje asymetryczne interakcje między spinami elektronów w CrI3. W rezultacie, spiny elektronów inaczej odczuwają pole magnetyczne poruszających się jąder, a to wpływa na ich topologiczne wzbudzenia.

Pengcheng Dai

Magnesy inne od wszystkich

W magnesach van der Waalsa, cienkie warstwy dwuwymiarowych atomów są ułożone jak strony w książce. Atomy wewnątrz jednej warstwy są ściśle związane, ale połączenia między poszczególnymi warstwami są słabe. Jest to przydatna cecha w badaniach niezwykłych zjawisk elektronicznych i magnetycznych.

Kryształy jodku chromu(III), które wykonano w laboratorium Uniwersytetu Rice’a

Pojedynczy dwuwymiarowy arkusz CrI3 wykazuje rodzaj magnetycznego porządku, który sprawia, że magnesy z wakacji przyczepiają się do powierzchni lodówki. Stosy trzech lub więcej dwuwymiarowych warstw CrI3 wykazują właściwości ferromagnetyczne. Zaskakujące jest jednak to, że dwa arkusze ułożone w stos mają przeciwny porządek zwany antyferromagnetycznym.

To dziwne zachowanie skłoniło zespół Pengchenga Daia do kolejnych eksperymentów. Wykazano, że CrI3 wytwarza własne pole magnetyczne dzięki magnonom, które poruszają się tak szybko, że wydaje się, jakby poruszały się bez oporu. Nowe badanie wyjaśnia, dlaczego stos dwóch dwuwymiarowych warstw CrI3 ma porządek antyferromagnetyczny.

Znaleźliśmy dowody na zależne od stosu uporządkowanie magnetyczne w materiale. Odkrycie pochodzenia i kluczowych cech tego stanu jest ważne, ponieważ może on występować w innych 2D magnesach van der Waalsa.

Pengcheng Dai