Shkencëtarët kanë zbuluar një lloj të ri magnetizmi

Që një magnet të ngjitet në një derë frigoriferi, disa efekte fizike duhet të përputhen në mënyrë të përsosur. Momentet magnetike të elektroneve të tij drejtohen të gjitha në të njëjtin drejtim, një fenomen që ndodh edhe pa një fushë magnetike të jashtme.

Kjo është për shkak të ndërveprimit të shkëmbimit, një ndërveprim kompleks i zmbrapsjes elektrostatike midis elektroneve dhe vetive mekanike kuantike të rrotullimeve të elektroneve, të cilat gjenerojnë momente magnetike. Ky mekanizëm shpjegon pse materialet si hekuri dhe nikeli janë ferromagnetikë, që do të thotë se ato janë përgjithmonë magnetike nëse nuk nxehen mbi një temperaturë specifike.

Në ETH Cyrih , një ekip studiuesish të udhëhequr nga Ataç Imamoğlu në Institutin për Elektronikën Kuantike dhe Eugene Demler në Institutin për Fizikën Teorike, tani kanë zbuluar një lloj të ri ferromagnetizmi në një material të prodhuar artificialisht, në të cilin vjen shtrirja e momenteve magnetike. rreth në një mënyrë krejtësisht të ndryshme. Së fundmi ata publikuan rezultatet e tyre në revistën shkencore Nature .

Në laboratorin e Imamoğlu, studenti i doktoraturës Livio Ciorciaro, post-doktor Tomasz Smolenski dhe kolegët prodhuan një material të veçantë duke vendosur shtresa atomike të holla të dy materialeve gjysmëpërçuese të ndryshme (molibden diselenidi dhe disulfidi tungsteni) mbi njëri-tjetrin.

Në rrafshin e kontaktit, konstantat e ndryshme të rrjetës së dy materialeve – ndarja midis atomeve të tyre – çon në formimin e një potenciali periodik dydimensional me një konstante të madhe rrjete (tridhjetë herë më e madhe se ato të dy gjysmëpërçuesve), e cila mund të të mbushet me elektrone duke aplikuar një tension elektrik.

“Materiale të tilla moiré kanë tërhequr interes të madh vitet e fundit, pasi ato mund të përdoren për të hetuar shumë mirë efektet kuantike të elektroneve që ndërveprojnë fuqishëm,” thotë Imamoğlu. “Megjithatë, deri më tani dihej shumë pak për vetitë e tyre magnetike.”

Për të hetuar këto veti magnetike, Imamoğlu dhe bashkëpunëtorët e tij matën nëse për një elektron të caktuar që mbushte materiali moiré ishte paramagnetik, me momentet e tij magnetike të orientuara rastësisht ose ferromagnetike. Ata ndriçuan materialin me dritë lazer dhe matën se sa fort reflektohej drita për polarizime të ndryshme.

Polarizimi tregon se në cilin drejtim lëkundet fusha elektromagnetike e dritës lazer, dhe në varësi të orientimit të momenteve magnetike – dhe rrjedhimisht rrotullimeve të elektroneve – materiali do të reflektojë një polarizim më fort se tjetri. Nga ky ndryshim, atëherë mund të llogaritet nëse rrotullimet drejtohen në të njëjtin drejtim apo në drejtime të ndryshme, nga të cilat mund të përcaktohet magnetizimi.

Duke rritur në mënyrë të qëndrueshme tensionin, fizikanët e mbushën materialin me elektrone dhe matën magnetizimin përkatës. Deri në një mbushje prej saktësisht një elektroni për vend të rrjetës moiré (i njohur gjithashtu si izolues Mott), materiali mbeti paramagnetik. Ndërsa studiuesit vazhdonin të shtonin elektrone në rrjetë, ndodhi diçka e papritur: materiali papritmas u soll shumë si një ferromagnet.

“Kjo ishte një provë e habitshme për një lloj të ri magnetizmi që nuk mund të shpjegohet nga ndërveprimi i shkëmbimit,” thotë Imamoğlu. Në fakt, nëse ndërveprimi i shkëmbimit ishte përgjegjës për magnetizmin, kjo duhet të ishte shfaqur gjithashtu me më pak elektrone në rrjetë. Fillimi i papritur, pra, tregoi drejt një efekti tjetër.

Eugene Demler, në bashkëpunim me post-doktor Ivan Morera, më në fund patën idenë vendimtare: ata mund të shikonin një mekanizëm që fizikani japonez Yosuke Nagaoka e kishte parashikuar teorikisht që në vitin 1966. Në atë mekanizëm, duke i bërë rrotullimet e tyre të drejtojnë në të njëjtin drejtim elektronet minimizojnë energjinë e tyre kinetike (energjinë e lëvizjes), e cila është shumë më e madhe se energjia e shkëmbimit. I

Në eksperimentin e kryer nga studiuesit e ETH, kjo ndodh sapo ka më shumë se një elektron për faqe rrjetë brenda materialit moiré. Si pasojë, çiftet e elektroneve mund të bashkohen për të formuar të ashtuquajturat doublone. Energjia kinetike minimizohet kur dyblonët mund të përhapen në të gjithë rrjetën përmes tunelit mekanik kuantik.

Megjithatë, kjo është e mundur vetëm nëse elektronet e vetme në rrjetë i drejtojnë rrotullimet e tyre në mënyrë ferromagnetike, pasi përndryshe efektet e mbivendosjes mekanike kuantike që mundësojnë zgjerimin e lirë të dybloneve janë të shqetësuara.

“Deri më tani, mekanizma të tillë për magnetizmin kinetik janë zbuluar vetëm në sistemet model, për shembull në katër pika kuantike të bashkuara”, thotë Imamoğlu, “por kurrë në sisteme të gjendjes së ngurtë të zgjeruar si ai që përdorim ne.”

Si hap tjetër, ai dëshiron të ndryshojë parametrat e grilës moiré në mënyrë që të hetojë nëse ferromagnetizmi ruhet për temperatura më të larta; në eksperimentin aktual, ai material duhej ende të ftohet deri në një të dhjetën e një shkalle mbi zero absolute .