Первое экспериментальное доказательство 70-летней физической теории

Впервые продемонстрировано магнитное поведение специального класса двумерных материалов.

Первое экспериментальное доказательство теории, предложенной более 70 лет назад, провели проф. Парк Цзе-Гюн (Park Je-Geun), заместитель директора Центра коррелированных электронных систем из Института фундаментальных наук (IBS) в сотрудничестве с Чон Хьонсик (Cheong Hyeonsik) из Университета Соган и Парк Чэол-Хвань (Park Cheol-Hwan) из Сеульского национального университета.

В последнее время ученые по всему мира изучают свойства и применение очень тонких 2D-материалов, толщиной всего в один атом, подобных графену. Изучение свойств 2D-материалов по сравнению с их трехмерными аналогами вызывает много вопросов, требующих размышлений. Один из них касается магнитных фазовых переходов.

Некоторые материалы являются магнитными из-за поведения спинов их электронов. При экстремально низких температурах эти спины стремятся упорядочиться, уменьшая полную энергию электронов. Однако выше определенной температуры, которая изменяется от материала к материалу, спины теряют свою ориентацию и становятся ориентированными случайным образом. Подобно тому, как лед теряет свой внутренний порядок и становится жидким выше определенной температуры, трехмерные магниты также теряют свою намагниченность выше критической температуры. Это называется фазовым переходом и является повсеместным процессом в 3D-объектах.

Однако что происходит с 1D- и 2D-системами при низких температурах? Испытывают ли они фазовый переход? Другими словами, увидим ли мы переход от твердого тела к жидкому в цепочке молекул воды (1D) или в одноатомном слое воды (2D)?

Примерно столетие назад физик Вильгельм Ленц попросил своего ученика Эрнста Изинга решить эту проблему для одномерных систем. Изинг объяснил это в 1925 году и пришел к выводу, что одномерные материалы не имеют фазовых переходов. Затем Изинг попытался разобраться с тем же вопросом для конкретного типа 2D-материалов. Проблема оказалась намного сложнее. Решение пришло в 1943 году благодаря Ларсу Онзагеру, получившему Нобелевскую премию по химии в 1968 году. Действительно, Онзагер обнаружил, что материалы, которые следуют спиновой модели Изинга, имеют фазовый переход. Однако несмотря на огромное значение этой теории для дальнейшего развития всей физики фазовых переходов, она никогда не проверялась экспериментально с использованием реального магнитного материала. «Физика 2D-систем уникальна и увлекательна. Решение Онзагера изучается в каждом продвинутом курсе по статистической механике, где я узнал об этой проблеме. Однако когда я обнаружил намного позже, что она не была экспериментально проверена с использованием магнитного материала, я подумал, что это позор для таких экспериментаторов, как я, поэтому для меня было естественным искать реальный материал для его тестирования», - объяснил проф. Парк Цзе-Гюн.

Чтобы доказать модель Онзагера, исследовательская группа получила кристаллы железа тритиодиофосфата (FePS₃) с помощью технологии, называемой химическим транспортом паров. Кристаллы состоят из слоев, связанных слабыми взаимодействиями, известных как взаимодействия Ван-дер-Ваальса. Слои можно снимать с кристалла, используя скотч, таким же образом лента может отклеивать краску от стены. Ученые снимали слои до тех пор, пока не остался один слой FePS₃ (2D). «Мы можем назвать эти материалы магнитными ван-дер-ваальсовыми материалами или магнитным графеном: они магнитные, и они имеют легко расщепляемые связи Ван-дер-Ваальса между слоями. Они очень редки и их физика еще не исследована», - говорит профессор.

Хотя существует несколько методов измерения магнитных свойств объемных трехмерных материалов, эти методы не имеют практического применения для измерения магнитных сигналов, поступающих из монослойных материалов. Поэтому команда использовала рамановскую спектроскопию, методику, обычно используемую для измерения вибраций внутри материала. Они использовали вибрации как косвенную меру магнетизма, - чем больше вибраций, тем меньше намагниченность.

Команда Парка и его коллеги впервые применили рамановскую спектроскопию на объемном 3D-материале FePS₃ при различных температурах, а затем испытали двумерный монослой FePS₃. «Тест с объемным образцом показал нам, что сигналы комбинационного рассеяния могут использоваться как своего рода отпечаток фазового перехода при температурах около 118 градусов Кельвина, или -155 градусов Цельсия. С этим подтверждением мы затем измерили образец монослоя и обнаружили ту же картину», - указывает проф. Парк. - Мы пришли к выводу, что 3D и 2D FePS₃ имеют одну и ту же сигнатуру фазового перехода, видимого в спектре комбинационного рассеяния». Как в массивном образце, так и в монослое спины FePS₃ упорядочены (антиферромагнитные) при очень низких температурах и становятся неупорядоченными (парамагнитными) выше 118 градусов Кельвина.

Упрощенное представление магнитного фазового перехода в 2D-материале