В области нанотехнологий и материаловедения достигнут значительный прорыв. Исследователи из Техасского университета в Остине экспериментально подтвердили существование особой магнитной фазы, известной как фаза Березинского — Костерлица — Таулесса, в двумерном материале. Это наблюдение стало возможным благодаря изучению атомарно тонкого листа трисульфида никеля.
Данное открытие верифицирует теоретическую модель двумерного магнетизма, предложенную несколько десятилетий назад. Эксперименты выявили формирование магнитных вихрей — закрученных узоров ориентации атомов. Подтверждение этих долгожданных магнитных структур открывает новые перспективы для разработки сверхкомпактных электронных устройств, где управление магнетизмом осуществляется на атомарном уровне.
Экспериментальное обнаружение фазы БКТ и магнитных вихрей в двумерном материале представляет собой важное подтверждение фундаментальной физической теории. Это достижение прокладывает путь к созданию принципиально новых технологий, основанных на контроле магнитных свойств в ультратонких слоях, что может привести к революции в миниатюризации и энергоэффективности электронных компонентов.
Когда исследователи из Техасского университета в Остине установили, что атомарно тонкий слой трисульфида никеля перешел в особую магнитную фазу, известную как фаза Березинского — Костерлица — Таулесса, магнитная ориентация отдельных атомов сформировала закрученные структуры, называемые вихрями. Фото: Студия Эллы Мару.
Материалы демонстрируют необычные свойства при послойном уменьшении толщины вплоть до одноатомного уровня. В новой работе, опубликованной в журнале Nature Materials, под руководством физиков из Техасского университета в Остине были зафиксированы нестандартные магнитные колебания в ультратонком материале. Эти эксперименты подтверждают давнюю теоретическую модель двумерного магнетизма, впервые предложенную в 1970-х годах. По мнению научной группы, данное открытие может в перспективе способствовать созданию высококомпактных технологий, основанных на точном управлении магнитными свойствами в наномасштабе.лючает в себя два важных изменения в магнитном поведении, которые постоянно происходят, когда некоторые материалы охлаждаются до абсолютного нуля. Хотя ранее ученые обнаружили каждый переход по отдельности, это исследование является первым, в котором наблюдается каждая последовательность, разворачивающаяся в одной системе.
Магнитные вихри в ультратонком кристалле
Чтобы учесть эти эффекты, исследователи охладили атомарно тонкий лист трисульфида никеля и фосфора (NiPS3) до температуры от -150 до -130°C. В этом отношении материал вошёл в особое магнитное состояние, известное как фаза Березинского-Костерлица-Таулесса (БКТ).
На этом этапе магнитные направления отдельных атомов, включая магнитные моменты, организуются в закрученные структуры, сложные как вихри. Эти вихри современного мира вращаются в противоположных направлениях: одно вращение происходит по часовой стрелке, а другое — против часовой стрелки. каждая пара остается тесно связанной друг с другом.
Фаза БКТ получила свое название от физика Вадима Березинского и лауреата Нобелевской премии Дж. Майкла Костерлица и Дэвида Таулесса, получившие Нобелевскую премию по физике 2016 года за свои теоретические работы, описывающие этот тип фазового перехода.
«Фаза БКТ особенно интригует, поскольку, по прогнозам, эти вихри будут исключительно прочными и ограничены всего несколькими нанометрами в поперечном направлении, занимая при этом только один атомный слой по толщине», — сказал он. — сказал Эдоардо Бальдини, доцент кафедры физики UT и руководитель исследований. «Благодаря стабильности и чрезвычайно малому размеру эти вихри открывают новый путь к управлению магнетизмом на наноуровне и дают представление об универсальной топологической физике в двумерных средах».
От магнитных вихрей к упорядоченной фазе
Когда температура упала еще больше, материал перешел во второе магнитное состояние, известное как упорядоченная фаза с шестью состояниями. В этой схеме магнитные моменты соревнований проводятся в одном из шести мест, в рамках симметрии.
Наблюдение в качестве фазы BKT, а также упорядоченной фазы с более низкой температурой, подтвержденной экспериментальной подачей двумерной модели часов с шестью состояниями. Эта теоретическая основа, представленная в 1970-х годах, предсказывает точную последовательность магнитных фаз, наблюдаемую в эксперименте.
«На данном этапе наша работа происходит в полную фазу последовательности, ожидаемую для двумерной модели часов с шестью состояниями, и устанавливает условия, при которых на этих норазмерных магнитных вихри формируются переменные в чистоте двумерного магнита», — сказал он. — сказал Бальдини.
На пути к будущим наномасштабным магнитным технологиям
Теперь исследователи планируют изучить, как стабилизировать подобные магнитные фазы при все более высоких температурах. В идеале они надеются найти материалы, которые могли бы поддерживать эти эффекты при температуре, близкой к температуре воды. Эта первая демонстрация обеспечивает ключевую отправную точку для этой тенденции.
Результаты также показывают, что многие другие двумерные магнитные материалы могут сохранять ранее неизвестные магнитные фазы. Эта возможность может привести к новым открытиям в фундаментальной физике, а также к будущим концепциям наноразмерных электронных устройств.
Исследовательская группа и финансирование
Проект получил основную поддержку от научного фонда (NSF) через Центр динамики и контроля материалов UT, Научно-технический центр NSF по исследованию материалов. Группа Бальдини также получила финансирование от Love, Tito's; Фонд Роберта А. Уэлча; Фонд В.М. Кека; НФС через награду «КАРЬЕРА»; Управление научных исследований ВВС США в рамках программы молодых исследований; и Исследовательское бюро армии США.
Три старших автора исследования, Бальдини, Аллан Макдональд и Сяоцинь «Элейн»; Ли — физики из Университета Техаса и члены Техасского квантового института, соруководителем которого является Ли. Соавторами исследования являются Фрэнк Ю. Гао, научный сотрудник физика из Юта и будущий доцент кафедры химии в Университете Висконсин-Мэдисон, и Донг Сеоб Ким, бывший аспирант физика из Юта, а сейчас постдокторант в Колумбийском университете. Дополнительные участники прибыли из Массачусетского технологического института, Академии Синика и Университета Юты.