В последнее время ученые всего мира исследуют свойства и применение чрезвычайно тонких 2D-материалов, толщиной всего в один атом, таких как графен. Изучение свойств 2D-материалов по сравнению с их 3D-аналогами вызывает множество вопросов, заставляющих задуматься; один из них касается магнитных фазовых переходов.
Некоторые материалы являются магнитными из-за поведения спинов их электронов. Проще говоря, спины (спиновые квантовые числа или, точнее, связанные с ними магнитные моменты) похожи на крошечные магниты, обычно показанные стрелками.
При чрезвычайно низких температурах эти спины имеют тенденцию выравниваться, снижая общую энергию электронов. Однако выше определенной температуры, которая варьируется от материала к материалу, спины теряют ориентацию и становятся беспорядочно ориентированными. Подобно тому, как лед теряет свой внутренний порядок и становится жидким при температуре выше определенной; 3D-магниты также теряют намагниченность выше критической температуры. Это называется фазовым переходом и постоянно присутствует в трехмерных объектах.
Однако что происходит с одномерными и двухмерными системами при низких температурах? Испытывают ли они фазовый переход? Другими словами, увидим ли мы переход от твердого тела к жидкости в цепочке молекул воды (1D) или в листе воды толщиной в один атом (2D)?
Около века назад физик Вильгельм Ленц попросил своего ученика Эрнста Изинга решить эту задачу для одномерных систем. Изинг объяснил это в 1925 году и пришел к выводу, что одномерные материалы не имеют фазовых переходов.
Затем Изинг попытался решить тот же вопрос для конкретного типа 2D-материалов. Проблема оказалась намного сложнее. Решение было найдено в 1943 году благодаря Ларсу Онсагеру, получившему Нобелевскую премию по химии в 1968 году. Действительно, Онсагер обнаружил, что материалы, соответствующие спиновой модели Изинга, имеют фазовый переход.
Однако, несмотря на огромное значение, которое эта теория имеет для дальнейшего развития всей физики фазовых переходов, она никогда не проверялась экспериментально на реальном магнитном материале. «Физика двумерных систем уникальна и увлекательна. Решение Онзагера преподается на каждом продвинутом курсе статистической механики. Именно здесь я узнал об этой проблеме.
Однако, когда я обнаружил много позже, что это не было проверено экспериментально с магнитным материалом, я считал, что это позор для таких экспериментаторов, как я, поэтому для меня было естественным искать настоящий материал для его тестирования », — объясняет PARK Je-Geun.Чтобы доказать модель Онзагера, группа исследователей произвела кристаллы тритиогипофосфата железа (FePS3) с помощью метода, называемого химическим переносом паров. Кристаллы состоят из слоев, связанных слабыми взаимодействиями, известными как взаимодействия Ван-дер-Ваальса.
Слои можно снимать с кристалла при помощи скотча, так же как скотч может снимать краску со стены. Ученые очищали слои до тех пор, пока на них не остался только один слой FePS3 (2D). «Мы можем назвать эти материалы магнитными ван-дер-ваальсовыми материалами или магнитным графеном: они магнитные и имеют легко расщепляемые ван-дер-ваальсовые связи между слоями. Они очень редки, и их физика до сих пор не изучена», — говорит профессор.Хотя существует несколько методов измерения магнитных свойств объемных трехмерных материалов, эти методы не имеют практического применения для измерения магнитных сигналов, исходящих от однослойных материалов.
Поэтому команда использовала рамановскую спектроскопию, метод, обычно используемый для измерения вибраций внутри материала. Они использовали вибрации как косвенную меру магнетизма: чем больше вибраций, тем меньше намагниченность.
Команда Парка и его коллеги сначала использовали рамановскую спектроскопию для объемного материала 3D FePS3 при различных температурах, а затем протестировали монослой FePS3 2D. «Тест с объемным образцом показал нам, что сигналы комбинационного рассеяния могут использоваться как своего рода отпечаток фазового перехода при температурах около 118 Кельвина или минус 155 градусов Цельсия. Получив это подтверждение, мы затем измерили монослойный образец и нашли то же самое. "узоры", — отмечает Парк. «Мы пришли к выводу, что 3D и 2D FePS3 имеют одинаковые признаки фазового перехода, видимого в спектре комбинационного рассеяния». Как в массивном образце, так и в монослое спины FePS3 ‘упорядочиваются (антиферромагнитны) при очень низких температурах и становятся неупорядоченными (парамагнитными) выше 118 градусов Кельвина. «Демонстрация магнитного фазового перехода с помощью этого тур-де-силового эксперимента — прекрасный тест для решения Онзагера», — заключает физик.
В будущем команда хотела бы изучить другие 2D-материалы с переходными металлами, выходящие за рамки 2D-модели спина Изинга.