Fyzici objevili a vysvětlili nečekaný magnetismus v atomově tenkém materiálu

Fyzici z MIT vytvořili nový ultratenký, dvourozměrný materiál s neobvyklými magnetickými vlastnostmi, které zpočátku výzkumníky překvapily. Poté se jim však podařilo rozluštit složitou hádanku vzniku těchto vlastností. Výsledkem je nová platforma pro studium chování materiálů na nejzákladnější úrovni – ve světě kvantové fyziky.

Ultratenké materiály vyrobené z jediné vrstvy atomů přitahují pozornost vědců od objevu prvního takového materiálu – grafenu složeného z uhlíku – před zhruba 20 lety. Mezi dalšími pokroky od té doby vědci zjistili, že skládání jednotlivých vrstev 2D materiálů a jejich občasné pootočení o malý úhel vůči sobě jim může dát nové vlastnosti, od supravodivosti po magnetismus. To vedlo k rozvoji twistroniky, jejíž průkopníkem na MIT je Pablo Jarillo-Herrero, profesor fyziky na MIT.

V současném výzkumu, publikovaném v 7. lednovém čísle časopisu Nature Physics, vědci pod vedením Jarillo-Herrera pracovali se třemi vrstvami grafenu. Každá vrstva byla pootočena na vrchu té následující pod stejným úhlem, čímž se vytvořila spirálovitá struktura podobná DNA spirále nebo třem rozloženým kartám.

„Helicita je základní koncept ve vědě, od základní fyziky po chemii a molekulární biologii. S 2D materiály lze vytvářet speciální spirálovité struktury s novými vlastnostmi, kterým teprve začínáme rozumět. Tato práce představuje nový obrat v oblasti twistroniky a komunita je moc zvědavá, co dalšího můžeme objevit pomocí této platformy helikálních materiálů!\" říká Jarillo-Herrero, který je také přidružen k Výzkumné laboratoři materiálů MIT.

Otočení

Twistronika může vést k novým vlastnostem ultratenkých materiálů, protože toto uspořádání vrstev 2D materiálů vede k jedinečnému vzoru zvanému moiré mřížka. A moiré vzor zase ovlivňuje chování elektronů.

„Změní spektrum energetických hladin dostupných elektronům a může vytvořit podmínky pro vznik zajímavých jevů,“ říká Sergio C. de la Barrera, jeden ze tří spoluautorů nedávné studie. De la Barrera, který práci prováděl jako postdoktorand na MIT, je nyní asistentem profesora na Univerzitě v Torontu.

V současné práci vytváří spirálovitá struktura vytvořená třemi vrstvami grafenu dvě moiré mřížky. Jedna je vytvořena prvními dvěma překrývajícími se vrstvami; druhá je vytvořena mezi druhou a třetí vrstvou.

Dva moiré vzory dohromady tvoří třetí moiré, supermoiré, nebo „moiré moiré,“ říká Li-Qiao Xia, postgraduální studentka fyziky na MIT a další ze tří spoluautorů článku v Nature Physics. „Je to jako moiré hierarchie.“ Zatímco první dva moiré vzory mají velikost pouze nanometry, nebo miliardtiny metru, supermoiré se objevuje v měřítku stovek nanometrů překrývající se s ostatními dvěma. Je viditelné, pouze když se „odzoomujete“ a získáte mnohem širší pohled na systém.

Velké překvapení

Fyzici očekávali, že uvidí známky této moiré hierarchie. Dostali však obrovské překvapení, když aplikovali a měnili magnetické pole. Systém reagoval experimentálním znakem magnetismu, který vzniká z pohybu elektronů. Tento orbitální magnetismus přetrvával až do -263 stupňů Celsia – nejvyšší teplota hlášená u uhlíkových materiálů doposud.

Tento magnetismus však může nastat pouze v systému, kterému chybí specifická symetrie – symetrie, kterou by nový materiál týmu měl mít. „Takže skutečnost, že jsme to viděli, byla velmi matoucí. Opravdu jsme nevěděli, co se děje,“ říká Aviram Uri, postdoktorand fyziky na MIT a třetí spoluautor nové studie.

Mezi další autory článku patří profesor fyziky na MIT Liang Fu; Aaron Sharpe ze Sandia National Laboratories; Yves H. Kwan z Princetonské univerzity; Ziyan Zhu, David Goldhaber-Gordon a Trithep Devakul ze Stanfordské univerzity; a Kenji Watanabe a Takashi Taniguchi z Národního institutu pro vědu o materiálech v Japonsku.

Co se dělo?

Ukázalo se, že nový systém skutečně narušil symetrii, která brání orbitálnímu magnetismu, který tým pozoroval, ale velmi neobvyklým způsobem. „Stane se, že atomy v tomto systému nejsou příliš pohodlné, takže se pohybují jemným koordinovaným způsobem, kterému říkáme relaxace mřížky,“ říká Xia. A nová struktura vytvořená touto relaxací skutečně lokálně narušuje symetrii v měřítku moiré.

To otevírá možnost orbitálního magnetismu, který tým pozoroval. Pokud se však „odzoomujete“ a zobrazíte systém v měřítku supermoiré, symetrie se obnoví. „Moiré hierarchie se ukazuje jako nositelka zajímavých jevů v různých měřítkách,“ říká de la Barrera.

Uri uzavírá: „Je to velká zábava, když vyřešíte hádanku a je to tak elegantní řešení. Získali jsme nové poznatky o tom, jak se elektrony chovají v těchto komplexních systémech, poznatky, které bychom nemohli mít, kdyby nás naše experimentální pozorování nenutily o těchto věcech přemýšlet.“

Tato práce byla podpořena Army Research Office, National Science Foundation, Gordon and Betty Moore Foundation, Ross M. Brown Family Foundation, stipendiem MIT Pappalardo, stipendiem VATAT Outstanding Postdoctoral Fellowship in Quantum Science and Technology, JSPS KAKENHI a stipendiem Stanford Science Fellowship.