De magnetische eigenschappen van materialen komen meestal voort uit uitwisselingsinteracties tussen hun elektronen, maar onderzoekers van ETH Zürich in Zwitserland hebben nu een nieuw type magnetisme ontdekt dat deze regel overtreedt. Bekend als kinetisch magnetisme, en voorheen alleen theoretisch voorspeld, vindt het nieuwe mechanisme plaats in een regime waarin de kracht van elektronenuitwisselingsinteracties verdwijnt. Hoewel het onwaarschijnlijk is dat de ontdekking direct tot nieuwe apparaten zal leiden, zou het ons begrip van materialen als Mott-isolatoren en andere systemen met sterk gecorreleerde elektronen kunnen vergroten.

De magnetische eigenschappen van een materiaal komen voort uit de kwantummechanische spins van zijn elektronen. In een ferromagnetisch materiaal zorgen uitwisselingsinteracties tussen elektronen er bijvoorbeeld voor dat alle spins in dezelfde richting worden uitgelijnd, zelfs als er geen extern aangelegd magnetisch veld is. Met het nieuwe mechanisme vindt afstemming echter zelfs plaats zonder uitwisselingsinteracties. In plaats daarvan ontstaat het doordat de kinetische energie van de elektronen – die veel groter is dan hun uitwisselingsenergie wanneer elektronen sterk gecorreleerd zijn – wordt geminimaliseerd wanneer de spins op één lijn liggen. Dit effect werd voor het eerst voorspeld door de Japanse natuurkundige Yosuke Nagaoka in 1966.

In het nieuwe werk, dat wordt beschreven in NATUUR, onderzoekers onder leiding van Atac Imamoglu at ETH Zürich’s Instituut voor Kwantumelektronica en Eugène Demler de Instituut voor Theoretische Fysica bestudeerde materialen bekende van der Waals heterostructuren. Ze vervaardigden deze in hun laboratorium door atomair dunne lagen van twee verschillende halfgeleidermaterialen, molybdeendiselenide (MoS₂) en wolfraamdisulfide (WS₂), boven elkaar. Op het contactvlak tussen de twee produceren de verschillende roosterconstanten van de materialen (dat wil zeggen de scheiding tussen hun atomen) een tweedimensionaal periodiek potentieel met een roosterconstante die 30 keer groter is dan die van de twee halfgeleiders zelf. Dit moirérooster, zoals het bekend staat, kan worden “gevuld” met elektronen door een spanning aan te leggen.

Elektronenvullende effecten

Imamoglu en collega's stelden dit materiaal bloot aan gepolariseerd laserlicht en maten hoe sterk het invallende licht werd gereflecteerd voor verschillende polarisaties. Omdat de hoeveelheid van elke polarisatie die wordt gereflecteerd afhangt van de oriëntatie van de magnetische momenten van het materiaal (en dus van de elektronenspins), hebben deze ‘polarisatie-opgeloste aantrekkelijke polaron-oscillatorsterkte’-metingen hen in staat gesteld te bepalen of de spins van het materiaal de neiging hebben om in de richting te wijzen. dezelfde richting (ferromagnetisme) of in willekeurige richtingen (paramagnetisme).

Naarmate ze de spanning verhoogden, leggen de onderzoekers uit dat de moiré-roosterlocaties gevuld raken met elektronen. Tot een vulling van precies één elektron per plaats van het moirérooster (een opstelling die een systeem produceert dat bekend staat als een Mott-isolator), is het materiaal paramagnetisch. Naarmate het aantal elektronen verder toeneemt, begint het materiaal zich echter als een ferromagneet te gedragen.

Dit effect, legt Imamoglu uit, is “opvallend bewijs” voor een nieuw type magnetisme dat niet kan worden verklaard door uitwisselingsinteracties, die voortkomen uit kwantummechanische effecten die optreden wanneer twee identieke deeltjes worden verwisseld. Als de uitwisselingsinteractie hiervoor verantwoordelijk was, had het waargenomen effect ook moeten optreden bij een kleiner aantal elektronen in het rooster.

Doublons in het sterk interacterende regime

Volgens de onderzoekers voorspelt de elektronische bandafstandstheorie dat wanneer elke plaats van een elektronenrooster wordt ingenomen door een enkel elektron, het systeem van metaal zou moeten zijn. In het sterk interacterende regime wordt het materiaal echter een isolator. Naarmate het aantal elektronen nog meer toeneemt, vormen zich plaatsen met twee elektronen, "doublons" genoemd.

“In principe zouden doublons, die een totale spin van nul hebben en dus niet-magnetisch zijn, vrijelijk van plek naar plek kunnen springen, waardoor het materiaal van Mott-isolator in elektrisch geleidend verandert”, legt Imamoglu uit. “De energie van deze doublons zou tot een minimum worden beperkt als het doublonhoppen onderhevig zou zijn aan constructieve kwantuminterferentie tussen verschillende paden om van de ene plek naar de andere te springen: dit is alleen mogelijk als de spins van de elektronen in de afzonderlijk bezette plekken op één lijn liggen, waardoor er een ferromagnetische toestand.”

De onderzoekers geven toe dat er kenmerken in hun experiment zijn die ze nog steeds niet begrijpen. Een voorbeeld is het abrupt verdwijnen van ferromagnetische correlaties wanneer de elektronenvulfactor van het rooster 3/2 is.

Vooruitkijkend hopen ze het effect dat ze hebben waargenomen te gebruiken om nieuwe natuurkunde te ontdekken. Als volgende stap wil Imamoglu graag nieuwe structuren ontwerpen die bij hogere temperaturen een ferromagnetische orde vertonen. Op dit moment moest het door hen bestudeerde materiaal worden afgekoeld tot enkele graden tot een fractie van een graad van het absolute nulpunt.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/new-type-of-magnetism-appears-in-a-layered-semiconductor/