Исследователи Центра коррелированных электронных систем Института фундаментальных наук (IBS) в Южной Корее в сотрудничестве с Университетом Соган и Сеульским национальным университетом сообщили о первом экспериментальном наблюдении антиферромагнитного материала XY-типа. чей магнитный порядок становится неустойчивым, когда он уменьшается до толщины в один атом. Эти результаты, опубликованные в Nature Communications, согласуются с теоретическими предсказаниями, сделанными еще в 1970-х годах.
Размерность в физике - важное понятие, определяющее природу материи. Открытие графена открыло двери в двухмерный мир: место, где толщина в один или два атома имеет значение. С тех пор несколько ученых заинтересовались экспериментами с двумерными материалами, включая магнитные материалы.
Магнитные материалы характеризуются своим спиновым поведением. Спины могут быть выровнены параллельно или антипараллельно друг другу, что приводит к ферромагнетикам или антиферромагнетикам соответственно. Кроме того, все классы материалов могут, в принципе, принадлежать к трем различным моделям в соответствии с некоторым фундаментальным пониманием физики: Изинга, XY или Гейзенберга. Модель XY объясняет поведение материалов, спины которых движутся только в плоскости, состоящей из осей x и y.
Поведение вращения может резко измениться при разрезании магнита до самого тонкого уровня, поскольку 2D-материалы более чувствительны к колебаниям температуры, которые могут разрушить структуру хорошо выровненных спинов. Почти 50 лет назад Джон М. Костерлиц и Дэвид Дж. Таулесс, а также Вадим Березинский независимо друг от друга теоретически описали, что двумерные модели XY претерпевают не обычный магнитный фазовый переход при низких температурах, а очень необычную форму, позже названную переходом БКТ. Они поняли, что квантовые флуктуации отдельных спинов гораздо более разрушительны в двумерном мире, чем в трехмерном, что может привести к тому, что спины приобретут вихревой характер. Костерлиц и Таулесс были удостоены Нобелевской премии по физике в 2016 году.
На протяжении многих лет ферромагнитные материалы широко анализировались, но исследования антиферромагнитных материалов не продвигались с той же скоростью. Причина в том, что последние нуждаются в различных экспериментальных методах. «Несмотря на интерес и теоретическую основу, никто никогда не экспериментировал с ним. Основная причина этого в том, что очень сложно детально измерить магнитные свойства такого тонкого антиферромагнитного материала», - говорит ПАК Дже-Гын, ведущий автор публикации.
Исследователи, участвовавшие в этом исследовании, сосредоточились на классе переходных металлов, которые подходят для изучения антиферромагнитного упорядочения в 2D. Среди них трисульфид никеля-фосфора (NiPS3) соответствует XY-типу и является антиферромагнитным при низких температурах. Это также материал Ван-дер-Ваальса, характеризующийся прочными внутрислойными связями и легко разрушаемыми межслойными связями. В результате NiPS3 может быть получен в несколько слоев с помощью метода, называемого химическим осаждением из паровой фазы, а затем расслоен до монослоя, что позволяет исследовать корреляцию между магнитным упорядочением и количеством слоев..
Команда проанализировала и сравнила NiPS3 в массе и в виде монослоя с помощью рамановской спектроскопии, метода, который позволяет определить количество слоев и физические свойства. Они заметили, что их магнетизм меняется в зависимости от толщины: упорядоченность спинов подавляется на уровне монослоя.
Интересно то, что между бислоем и монослоем резкое изменение. На первый взгляд между ними может не быть большой разницы, но эффект перехода от двух измерений к трем влияет на их физические свойства. чтобы резко перевернуться», - объясняет Пак.
Это еще один пример магнитных материалов, зависящих от толщины. Среди них трииодид хрома (CrI3) является ферромагнитным в виде монослоя, антиферромагнитным в виде двухслойного и обратно ферромагнитным в виде трехслойного. И в отличие от тритиогипофосфата железа (FePS3), для которого ученые IBS из группы профессора Парка обнаружили в 2016 году, что он сохраняет свою антиферромагнитную упорядоченность вплоть до монослоя.
Группа также исследует модель Гейзенберга и новые явления, возникающие при комбинировании антиферромагнитных материалов с другими.