Naukowcy właśnie odkryli nowy rodzaj magnetyzmu

„Powodem obecności magnetyzmu w naszym codziennym życiu jest siła interakcji wymiany elektronów” – powiedział współautor badania. Imamoglu przyszedł do ciebiektóry jest także fizykiem w Instytucie Elektroniki Kwantowej.

Jednakże, jak przypuszczał Nagaoka w latach sześćdziesiątych XX wieku, reakcje wymiany mogą nie być jedyną metodą wytworzenia materiału magnetycznego. Nagaoka wyobraził sobie dwuwymiarową siatkę kwadratową, w której każde miejsce w siatce zawiera tylko jeden elektron. Następnie sprawdź, co by się stało, gdyby w określonych warunkach usunięto jeden z tych elektronów. Gdy pozostałe elektrony w sieci oddziałują, dziura, w której znajdował się brakujący elektron, będzie się przesuwać wokół sieci.

W scenariuszu z Nagaoki całkowita energia sieci będzie najniższa, gdy spiny wszystkich elektronów będą równoległe. Każda konfiguracja elektronowa wyglądałaby identycznie, jakby elektrony były identycznymi elementami na najnudniejszej planecie świata Puzzle z przesuwanymi płytkami. Z kolei te równoległe spiny sprawią, że materiał stanie się ferromagnetyczny.

Gdy istnieją dwie sieci ze zwrotem akcji, pojawia się wzór

Imamoglu i jego współpracownicy wpadli na pomysł, że mogliby stworzyć magnetyzm Nagaoki, eksperymentując z jednowarstwowymi arkuszami atomów, które można by ułożyć razem, tworząc złożony wzór mory (wymawiane Mwah Ray). W materiałach o cienkich warstwach atomowych wzory mory mogą radykalnie zmienić zachowanie elektronów, a tym samym materiałów. Na przykład w 2018 roku fizyk Pablo Jarillo Herrero i współpracownicy Udowodniony Dwuwarstwowe stosy grafenu zyskały nadprzewodnictwo, gdy zastąpiły dwie warstwy skrętem.

Atac Imamoglu i jego współpracownicy podejrzewali, że nowo zsyntetyzowane materiały mogą wykazywać pewne dziwne właściwości magnetyczne, ale nie wiedzieli dokładnie, co odkryją.

Dzięki uprzejmości Ataca Imamoglu

Od tego czasu materiały morowe wyłoniły się jako nowy, fascynujący system badania magnetyzmu, uwięzione wśród chmur przechłodzonych atomów i złożonych materiałów, takich jak miedziany. „Materiały falowe zapewniają nam plac zabaw do gromadzenia i badania wielu stanów elektronów w organizmie” – powiedział Imamoglu.

Naukowcy rozpoczęli od wytworzenia materiału z monowarstw półprzewodnikowego diselenku molibdenu i disiarczku wolframu, które należą do klasy materiałów… Dotychczasowe symulacje Sugeruje się, że może wykazywać magnetyzm w stylu Nagaoki. Następnie przyłożyli do materiału morowego słabe pola magnetyczne o różnej sile, śledząc jednocześnie liczbę spinów elektronów materiału odpowiadających tym polom.

Następnie badacze powtórzyli te pomiary, przykładając do materiału różne napięcia, zmieniając liczbę elektronów w siatce mory. Znaleźli coś dziwnego. Materiał z większym prawdopodobieństwem dopasowywał się do zewnętrznego pola magnetycznego, tj. zachowywał się bardziej magnetycznie, tylko wtedy, gdy miał do 50% więcej elektronów niż miejsca w siatce. Kiedy sieć miała mniej elektronów niż miejsca sieci, badacze nie zaobserwowali żadnych oznak ferromagnetyzmu. Było to przeciwieństwo tego, czego oczekiwaliby, gdyby standardowy ferromagnetyzm Nagaoki był skuteczny.

Bez względu na to, jak magnetyczny jest materiał, nie wydaje się, aby napędzały go reakcje wymiany. Ale najprostsze wersje teorii Nagaoki również nie wyjaśniają w pełni jej właściwości magnetycznych.

Kiedy twoje rzeczy zostają namagnesowane i jesteś trochę zaskoczony

Wreszcie padło na ruch. Elektrony zmniejszają swoją energię kinetyczną poprzez rozprzestrzenianie się w przestrzeni, co może spowodować, że funkcja falowa opisująca stan kwantowy jednego elektronu nałoży się na funkcje jego sąsiadów, wiążąc ich losy. Z materiału opracowanego przez zespół wynika, że ​​gdy w siatce falistej znajdowało się więcej elektronów niż miejsc w siatce, energia materiału spadała, gdy dodatkowe elektrony ulegały delokalizacji niczym mgła pompowana przez scenę na Broadwayu. Następnie łączą się przejściowo z elektronami w sieci, tworząc dwuelektronowe grupy zwane dublonami.

Te dodatkowe wędrujące elektrony i dublony, które nadal tworzyły, nie mogły się zdelokalizować i rozprzestrzenić w sieci, chyba że elektrony w otaczających je miejscach sieci wirowały równolegle. W miarę jak materia w dalszym ciągu osiągała najniższy poziom energii, efektem końcowym było to, że dublony miały tendencję do tworzenia małych, zlokalizowanych obszarów ferromagnetycznych. Do pewnego momentu im więcej dublonów przepływa przez sieć, tym bardziej magnetyczny staje się materiał.