Rice Üniversitesi Fizikçileri, elektronların dönüşlerindeki bilgileri kodlamak için yararlı olabilecek bir 2 Boyutlu(2D) malzemede üç yıl önce keşfettikleri manyetik özellikler olan magnonların topolojik kökenlerini doğruladılar. American Physical Society dergisi Physical Review X’de bu hafta çevrimiçi olarak yayınlanan bir çalışmada açıklanan keşif, 2 Boyutlu Van Der Waals mıknatısları olarak bilinen malzemelerde topoloji odaklı spin uyarımlarının yeni bir anlayışını sağlıyor. Materyaller, katı hal elektroniği topluluğunda hesaplama, depolama ve iletişim için bilgileri kodlamak için elektron dönüşlerini kullanan teknolojilere doğru bir hareket olan spintronics için artan bir ilgidir.
Magnon Nedir?
Magnon, bir kristal kafes içindeki elektronların spin yapısının toplu bir uyarımı olan bir yarı parçacıktır. Kuantum mekaniğinin eşdeğer dalga resminde, bir magnon nicelenmiş bir dönüş dalgası olarak görülebilir. Magnonlar sabit miktarda enerji ve kafes momentumu taşırlar ve bozon davranışına uyduklarını gösteren spin-1’dir.
Manyetik 2D malzemeler, antiferromanyetizma veya ferromanyetizma gibi düzenli manyetik özellikleri gösteren iki boyutlu malzemelerdir. 2004 yılında grafenin keşfinden sonra, 2D malzeme ailesi hızla büyüdü. O zamandan beri, manyetik malzemeler hariç, ilgili birkaç malzeme hakkında raporlar var.
2D Manyetik Malzemeler Nedir?
İlk 2D ferromanyetler, Cr2Ge2Te6 ve CrI3 2017 yılında keşfedildi. Bunun bir nedeni, termal dalgalanmaların, 3B yığına kıyasla manyetik düzeni daha kolay yok etme eğiliminde olmasıdır. Düşük boyutlu malzemeler, yığınla karşılaştırıldığında farklı manyetik özelliklere sahiptir ve bu nedenle 3D’den 2D manyetizmaya geçiş ölçülebilir. Bu geçiş Fe3GeTe2’de gözlemlenmiştir.
Alan sadece 2017’den beri var olmasına rağmen, yoğun madde fiziği ve malzeme bilimi ve mühendisliğinde en aktif alanlardan biri haline geldi.
Spin, kuantum nesnelerinin içsel bir özelliğidir ve elektronların spinleri, manyetizmanın ortaya çıkmasında önemli bir rol oynar.
Physical Reviews X çalışmasının ortak yazarı olan Rice Fizikçisi Pengcheng Dai, 2D malzeme krom triiyodin üzerindeki esnek olmayan nötron saçılım deneylerinin, 2018 yılında grubunun ve diğerlerinin keşfettiği magnon adı verilen spin uyarımlarının topolojik doğasının kökenini doğruladığını söyledi. Dai, grubun Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’nın (ORNL) Spallation Neutron Source’daki son deneylerinin, krom triiyodin içindeki elektronların “spin-yörünge bağlantısının spinleri arasında asimetrik etkileşimleri indüklediğini” gösterdiğini söyledi. “Sonuç olarak, elektron dönüşleri, hareket eden çekirdeklerin manyetik alanını farklı şekilde hisseder ve bu onların topolojik uyarımlarını etkiler.”
Manyetik ve Ferromanyetik Malzemeler
Van der Waals malzemelerinde, atomik olarak ince 2B katmanlar, bir kitaptaki sayfalar gibi istiflenir. Katmanlar içindeki atomlar sıkıca bağlıdır, ancak katmanlar arasındaki bağlar zayıftır. Materyaller, olağandışı elektronik ve manyetik davranışları keşfetmek için kullanışlıdır. Örneğin, tek bir 2D krom triiyodin tabakası, manyetik etiketlerin metal bir buzdolabına yapışmasını sağlayan aynı tür manyetik düzene sahiptir. Üç veya daha fazla 2D katmandan oluşan yığınlar, fiziğin ferromanyetik dediği manyetik düzene de sahiptir. Ancak iki istiflenmiş krom triiyodin tabakası, antiferromanyetik adı verilen zıt bir düzene sahiptir.
Manyetik Düzenlerin Kanıtları
Bu garip davranış Dai ve meslektaşlarını materyali incelemeye yöneltti. Bu haftaki Physical Review X çalışmasının ve aynı dergideki 2018 çalışmasının baş yazarı olan Rice lisansüstü öğrencisi Lebing Chen, ORNL’deki deneyler için krom triiyodür tabakalarını yapmak ve hizalamak için yöntemler geliştirdi. Chen, Dai ve meslektaşları, bu numuneleri nötronlarla bombardıman ederek ve nötron uçuş süresi spektrometrisi ile elde edilen dönüş uyarımlarını ölçerek, malzemenin bilinmeyen özelliklerini ve davranışlarını ayırt edebilirler.
Daha önceki çalışmalarında, araştırmacılar, krom triiyodin, çok hızlı hareket eden ve dirençsiz hareket ediyormuş gibi hissettiren magnonlar sayesinde kendi manyetik alanını oluşturduğunu gösterdi. Dai, en son çalışmanın, iki 2-D krom triiyodür tabakası yığınının neden antiferromanyetik düzene sahip olduğunu açıkladığını söyledi.
Dai, “Malzemede istiflemeye bağlı bir manyetik düzenin kanıtını bulduk” dedi. Mevcut durumun kökenini ve temel özelliklerini keşfetmek önemlidir, çünkü diğer 2D Van Der Waals mıknatıslarında var olabilir.
Kaynak: phys.org/news/2021-09-physicists-magnon-2d-magnet.html
