کشف شواهدی بر وجود آهنرباهای دو بُعدی – Two-Dimensional Magnets

کشف شواهدی بر وجود آهنرباهای دو بُعدی – Two-Dimensional Magnets

کشف شواهدی بر وجود آهنرباهای دو بُعدی – Two-Dimensional Magnets

از زمان کشف گرافن در سال ۲۰۰۴ میلادی، با ازدیاد مواد دو بعدی جدید و عجیب و غریب مواجه بوده ایم. دانشمندان در تمامی این مواد به بررسی یک ویژگی بسیار با ارزش به نام خاصیت آهنربایی پرداخته اند که اهمیتی حیاتی برای ذخیره سازی داده ها، دستگاه های پزشکی و ژنراتورهای برق دارد. پس از سال ها جستجو، بسیاری گمان می کردند که آهنرباهای دو بعدی واقعی شاید وجود نداشته باشند. اما اکنون مدارکی برای اثبات وجود آنها در دست داریم.

فیزیکدانان موفق به ساخت آهنرباهای دو بُعدی شده اند. این آهنربا ویژگی هایی دارد که ما هنوز ندیده ایم. ژیائودونگ ژو یکی از اعضای تیم پژوهشی از دانشگاه واشنگتن بیان کرد: آنچه که کشف کرده ایم یک ماده دو بُعدی مجزا با خاصیت آهنربایی ذاتی است و میزان آهنربایی نیز در سیستم بسیار بالاست. تصور ما بر این است که فناوری های اطلاعات جدید بر پایه این آهنرباهای دو بُعدی جدید وارد بازار شوند.

دانشمندان در صدد پی بردن به چگونگی مغناطیسی کردن مواد دو بعدی با افزودن روزنه هایی به ساختار اتمی بوده اند که در ازای دستیابی به خاصیت آهنربایی، برخی ویژگی های دو بعدی فدا می شدند. اما چه می شود اگر هر دو ویژگی را حفظ کنیم؟

ژو و فیزیکدان دیگری به نام پابلو جاریرو هررو از MIT هر دو بصورت جداگانه این هدف را دنبال میکردند، اما به دلیل اهمیت غیر قابل وصف تایید وجود آهنرباهای دو بُعدی آنان سال گذشته تصمیم گرفتند تا در قالب یک تیم به تحقیقات خود ادامه بدهند. آنها بر روی ترکیبی به نام کروم تری یدید(CrI3) تمرکز نمودند زیرا این ماده در حالت سه بعدی اش از ویژگی فرو مغناطیسی بهره می برد. در اثر آن، اسپین های الکترون به جهت یکسانی تخصیص داده می شوند حتی بدون قرار گرفتن در معرض میدان مغناطیسی خارجی. اینطور می توان گفت که میدان مغناطیسی درونی و مختص خود را دارد.

ماده “کروم تری یدید” به سادگی با روش نوار اسکاچ به دو بُعد کاهش داده می شود. اما وقتی فیزیکدان شروع به دستکاری ساختار بُعدی آن بکنند، چه بلائی بر سر ویژگی های ذاتی آن می آید. در صورتی که شما اقدام به زدودن لایه های اتمی بکنید، حتی اصلی ترین ویژگی ها میتوانند ظاهر یا ناپدید بشوند. در واقع تا به امروز هیچ ماده مغناطیسی سه بعدی قادر به حفظ خاصیت آهنربایی اش پس از تقلیل یافتن به دو بعد نبوده است.

به همین منظور، مشخص نبود که آیا “کروم تری یدید” همان پاسخی است که به دنبالش هستند یا خیر. بوین هوانگ، محقق و یکی از اعضای تیم اعلام کرد: شما نمی توانید بطور دقیق پیش بینی کنید که کدام ویژگی های الکتریکی، مغناطیسی، فیزیکی یا شیمیایی یک بلور تک لایه دو بُعدی همسو با رفتار همتای بزرگ سه بُعدی اش خواهند بود.

 آهنرباهای دو بُعدی

به محض اینکه این مواد به یک تکه ضخیم اتم کروم تری یدید کاهش یافت، محققان ویژگی های مغناطیسی آن را با قرار دادن پرتو نور پولاریزه بر روی سطح ماده بررسی کردند. اگر همچنان آثاری از ویژگی های مغناطیسی وجود داشت، اسپین های الکترون آن در انعکاس پرتو قابل شناسایی می بودند؛ این همان چیزی است که تیم پژوهشی موفق به یافتن اش شد: کشف شواهدی بر وجود آهنرباهای دو بُعدی .

بنا به گزارش بورزاک در مجله ساینس، وقتی محققان لایه هایی را به نمونه های دو بُعدی آن اضافه کردند، شرایط عجیب و غریبی مشاهده شد. همچنین، آنان دریافتند که تکهٔ دو لایه این ماده فاقد خاصیت آهنربایی است؛ با فزودن لایه سوم، شاهد فرو مغناطیسی شدن دوباره آن بودیم. اگر لایه چهارم اضافه شود، تغییری در خاصیت آهنربایی ماده ایجاد نمی شود، اما ویژگی های دیگری بدست می آورد که محققان در حال بررسی آنها هستند.

و این تازه اول کار است. این ویژگی نه تنها می تواند به ایجاد وسایل الکترونیکی باریک تری ختم شود، بلکه فیزیکدانان فکر می کنند که در صورت قرار دادن لایه های سه بُعدی “کروم تری یدید” در ساختارهای متفاوت، شاهد بروز ویژگی های عجیبی خواهیم بود. این ساختارها می توانند کاربردهای گسترده ای در محاسبات، ذخیره سازی پایگاه داده، ارتباطات و غیره داشته باشند. جزئیات بیشتر این پژوهش در نشریۀ Nature منتشر شده است.

ترجمه: منصور نقی لو

منبع : www.sciencealert.com

Physicists Finally Have Proof That Two-Dimensional Magnets Exist

Since the discovery of graphene in 2004, there’s been a proliferation of strange new two-dimensional materials. In all of them, scientists have been chasing one invaluable property – magnetism, which is crucial for data storage, medical devices, and electricity generators.

After years of searching, many suspected that true two-dimensional magnets might not actually exist. But now we finally have proof – physicists have created the first ever 2D magnet, and it’s got properties we haven’t even seen yet. “What we have discovered here is an isolated 2D material with intrinsic magnetism, and the magnetism in the system is highly robust,” says one of the team, Xiaodong Xu from the University of Washington (UW).

“We envision that new information technologies may emerge based on these new 2D magnets.” In lieu of any true two-dimensional magnets up to this point, scientists have been figuring out how to magnetise two-dimensional materials by ‘cheating’ – adding holes or bumps into the atomic structure to sacrifice the 2D properties in some areas in return for magnetism.

But what if we could retain both properties at the same time?

Xu and another physicist, Pablo Jarillo-Herrero from MIT, were both separately chasing this goal, but decided to team up last year because of how important it would be for physics to prove that two-dimensional magnets were actually possible. They decided to focus on a compound called chromium triiodide (or CrI3), because it’s ferromagnetic in its three-dimensional form – a property that sees the ‘spins’ of its electrons align in the same direction, even without being exposed to an external magnetic field.

You can think of it as having its own internal magnetic field instead. Refrigerator magnets are also ferromagnetic in three-dimensions. Chromium triiodide is also easily reduced to two dimensions via the ‘Scotch tape method’ – using adhesive tape to peel off layer after layer until it’s just one atom thick.

But what would happen to its intrinsic properties once physicists started messing with its dimensional structure was anyone’s guess – even the most fundamental properties can appear and disappear when you start stripping away atomic layers. In fact, until now, no three-dimensional magnetic material has managed to retain its magnetism when cut down to two dimensions, so it was not clear if chromium triiodide would be the answer everyone’s been looking for.

“You simply cannot accurately predict what the electric, magnetic, physical, or chemical properties of a 2D monolayer crystal will be based on the behaviour of its 3D bulk counterpart,” says one of the team, UW’s Bevin Huang.

Once they’d stripped down a one-atom-thick slice of chromium triiodide, the researchers tested its magnetic properties by shining a beam of polarised light at its surface. If it was still magnetic, the aligned spin of its electrons could be detected in the reflection of the beam, and sure enough, that’s what the team found – the first definitive proof of magnetism in a uniformly 2D material.

As Bourzac explains for Science magazine, things started getting weird when the researchers progressively added layers back to their two-dimensional samples: “They also discovered that a two-layered sheet of this material isn’t magnetic, but when a third is added the substance becomes a ferromagnet again. The material remains magnetic if a fourth layer is added, but gains other properties the researchers say they’re still investigating.”

And this is just the beginning.

Not only could this lead to slimmer electronics than ever – the team also suspects that when they start stacking multiple two-dimensional layers of chromium triiodide into so-called heterostructures, even stranger properties will emerge. “There, you can get even more exotic phenomena not seen in the monolayer alone or in the 3D bulk crystal,” Xu says in a press statement.

“Heterostructures hold the greatest promise of realising new applications in computing, database storage, communications and other applications we cannot even fathom yet.” The research has been published in Nature.