Et halvt århundre etter at teorien ble lansert, har forskere ved University of Texas at Austin bekreftet hele sekvensen av magnetiske faser i et todimensjonalt system. I et atomtynt lag av nikkelfosforsulfid (NiPS3) fant de ultrakompakte magnetiske virvler – slik teoretikere forutså på 1970-tallet. Funnene er publisert i Nature Materials og kan bane vei for ny nanoteknologi.

Dette er nytt

• Første komplette bekreftelse av faseforløpet i den todimensjonale sekstilstands klokkemodellen fra 1970-tallet.
• BKT-fase observert i et atomtynt NiPS3-lag ved omtrent −150 til −130 grader Celsius.
• Virvlene opptrer i bundne par som roterer i motsatt retning og er bare noen få nanometer i diameter og ett atomlag tykke.
• Ved ytterligere nedkjøling: sekstilstands klokke-ordnet fase der magnetiske momenter peker i én av seks symmetrisk relaterte retninger.
• Tidligere er overgangene sett hver for seg; nå er hele sekvensen observert i ett system.

Hva forskerne gjorde

Forskerteamet, ledet av assisterende professor Edoardo Baldini, kjølte et atomtynt NiPS3-lag til mellom −150 og −130 °C. I dette intervallet gikk materialet inn i Berezinskii–Kosterlitz–Thouless (BKT)-fasen, oppkalt etter Vadim Berezinskii og Nobelprisvinnerne J. Michael Kosterlitz og David Thouless, som ble tildelt Nobelprisen i fysikk i 2016 for sitt teoretiske arbeid med slike faseoverganger.

I BKT-fasen danner spinnene virvlende mønstre – vortekser – som kommer i stramt bundne par, en som roterer med klokken og en mot klokken. Disse strukturene er ekstremt små og bare ett atomlag i tykkelse.

"BKT-fasen er spesielt fascinerende fordi disse vorteksene forutsies å være eksepsjonelt robuste og begrenset til bare noen få nanometer lateralt, samtidig som de bare opptar ett enkelt atomlag i tykkelse," forklarer Baldini. "På grunn av deres stabilitet og ekstremt lille størrelse, tilbyr disse vorteksene en ny måte å kontrollere magnetisme på nanoskala og gir innsikt i universell topologisk fysikk i todimensjonale systemer."

Da prøven ble kjølt ytterligere, oppsto en sekstilstands klokke-ordnet fase. Her retter de magnetiske momentene seg i én av seks mulige, symmetrisk relaterte retninger. At forskerne observerte både BKT-fasen og den lavere temperatur-ordnede fasen i samme system, bekrefter den eksperimentelle realiseringen av den todimensjonale sekstilstands klokkemodellen.

Hvorfor dette betyr noe

Studien representerer et gjennombrudd i forståelsen av magnetisme i todimensjonale materialer. De ekstremt små og stabile virvlene kan gi nøyaktig kontroll av magnetisme på nanoskala, noe som er relevant for fremtidige elektroniske enheter.

• Forskerne vil nå undersøke hvordan lignende magnetiske faser kan stabiliseres ved høyere temperaturer.
• Målet er å finne materialer som kan opprettholde effektene nær romtemperatur for praktiske anvendelser.
• Resultatene antyder at mange andre 2D-magnetiske materialer kan skjule hittil ukjente faser.
• Dette kan gi nye konsepter for databehandling og lagring når dagens miniatyrisering nærmer seg fysiske grenser.

Hvem står bak

Arbeidet er gjort ved University of Texas at Austin. Seniorforfatterne er Edoardo Baldini, Allan MacDonald og Xiaoqin «Elaine» Li, alle fysikere ved UT og medlemmer av Texas Quantum Institute.

Finansiering

Prosjektet fikk primær støtte fra National Science Foundation (NSF) gjennom Center for Dynamics and Control of Materials ved UT. Baldinis gruppe mottok også finansiering fra Robert A. Welch Foundation, W. M. Keck Foundation og flere andre institusjoner.

Kilder

ScienceDaily, Nature Materials, Phys.org, University of Texas at Austin

Den eksperimentelle bekreftelsen av en femti år gammel teori viser kraften i grunnforskning – fra idé til observasjon over et halvt århundre. Neste steg er å løfte disse magnetiske fasene mot høyere temperaturer og undersøke flere 2D-materialer. Lykkes forskerne, kan ultrakompakte magnetiske strukturer bli en nøkkel til neste generasjons teknologi.