Μια ανεπαίσθητη συστροφή ανάμεσα σε μαγνητικά στρώματα ατομικού πάχους μπορεί να δημιουργήσει απροσδόκητα μεγάλες και πολύπλοκες δομές σπιν. Μια μικροσκοπική συστροφή ανάμεσα σε δύο εξαιρετικά λεπτούς κρυστάλλους μπορεί να λειτουργήσει σαν ένας νέος «διακόπτης ελέγχου» για την ύλη.
Ανατρέποντας τους κανόνες της Φυσικής: Πώς μία απλή συστροφή μπορεί να δημιουργήσει τεράστιους μαγνήτες από το πουθενά
Μαγνητικές δομές σπιν τύπου Super-moiré. Credit: Δρ. Elton Santos – Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου (University of Edinburgh)
Τα τελευταία χρόνια, οι φυσικοί έμαθαν ότι η περιστροφή επάλληλων δισδιάστατων στρωμάτων κατά μία μόνο ή δύο μοίρες μπορεί να δημιουργήσει ένα μοτίβο moiré, το οποίο αναδιαμορφώνει τον τρόπο με τον οποίο τα ηλεκτρόνια κινούνται και αλληλεπιδρούν.
Αυτή η επίγνωση βοήθησε στην έναρξη της μηχανικής moiré (moiré engineering), μιας μεθόδου κατασκευής σχεδιασμένων κβαντικών υλικών μέσω της αλλαγής της γεωμετρίας αντί της χημείας.
Μια νέα μελέτη στο περιοδικό Nature Nanotechnology υποστηρίζει ότι ο μαγνητισμός μπορεί να κρύβει εξίσου μεγάλες εκπλήξεις. Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι σε «συστραμμένα» αντισιδηρομαγνητικά στρώματα, τα σπιν δεν καταλαγιάζουν πάντα σε μοτίβα που αντιστοιχούν στη στοιχειώδη κυψελίδα moiré.
Αντίθετα, η μαγνητική τάξη μπορεί να οργανωθεί σε πολύ μεγαλύτερες τοπολογικές δομές που εκτείνονται σε εκατοντάδες νανόμετρα – μέγεθος πολύ μεγαλύτερο από αυτό που ανέμεναν πολλοί επιστήμονες βάσει της φυσικής των συστημάτων moiré.
Για να το δουν άμεσα, η ομάδα μελέτησε συστραμμένα διπλά διστρώματα τριιωδιούχου χρωμίου (CrI₃) χρησιμοποιώντας μαγνητομετρία σάρωσης κέντρων αζώτου-κενού (nitrogen-vacancy magnetometry).
Αυτή η τεχνική χρησιμοποιεί έναν μικροσκοπικό κβαντικό αισθητήρα, που βασίζεται σε μια ατέλεια στο διαμάντι, για να χαρτογραφήσει απειροελάχιστα μαγνητικά πεδία με λεπτομέρεια νανοκλίμακας.
Με αυτή τη μέθοδο, οι ερευνητές παρατήρησαν μαγνητικές δομές μεγάλης εμβέλειας που εκτείνονταν πολύ πέρα από μια μεμονωμένη κυψελίδα moiré, φτάνοντας περίπου τα 300 nm.
Αυτό το μέγεθος είναι περίπου δέκα φορές μεγαλύτερο από την κλίμακα που ορίζει το υποκείμενο μήκος κύματος moiré, το οποίο είναι η κλίμακα μήκους που οι περισσότεροι υπέθεταν ότι ακολουθούν τα φαινόμενα moiré.
Ακόμη πιο ενδιαφέρον είναι το γεγονός ότι το μέγεθος της δομής (texture) δεν ακολουθούσε το μήκος κύματος moiré με τον συνηθισμένο τρόπο. Καθώς η γωνία συστροφής μειωνόταν, το μήκος κύματος moiré αυξανόταν, αλλά οι μαγνητικές δομές συμπεριφέρονταν διαφορετικά. Έφτασαν στο μέγιστο μέγεθός τους κοντά στις 1,1° και στη συνέχεια εξαφανίστηκαν πάνω από τις ~2° περίπου.
Αυτή η αναστροφή υποδηλώνει ότι το μοτίβο moiré δεν «σφραγίζει» απλώς τον μαγνητισμό στη θέση του. Αντίθετα, τα αποτελέσματα υποδεικνύουν μια συλλογική «διελκυστίνδα» ανάμεσα στις αλληλεπιδράσεις ανταλλαγής, τη μαγνητική ανισοτροπία και τις αλληλεπιδράσεις Dzyaloshinskii–Moriya.
Καθένα από αυτά τα συστατικά μπορεί να ευνοεί έναν διαφορετικό τύπο διάταξης των σπιν, και η σχετική περιστροφή μεταξύ των στρωμάτων μπορεί να επανασυντονίσει ανεπαίσθητα αυτή την ισορροπία. Με άλλα λόγια, η γωνία συστροφής δεν ορίζει απλώς μια κλίμακα μήκους· μετατοπίζει το ενεργειακό τοπίο που καθορίζει ποια μαγνητική κατάσταση θα επικρατήσει.
Οι προσομοιώσεις δυναμικής των σπιν σε μεγάλη κλίμακα επιβεβαιώνουν αυτή την ιδέα. Το μοντέλο υποδεικνύει ότι το σύστημα μπορεί να σταθεροποιήσει εκτεταμένα αντισιδηρομαγνητικά σκυρμιόνια τύπου Néel, τα οποία εκτείνονται σε πολλαπλές κυψελίδες moiré, προσφέροντας μια συγκεκριμένη εξήγηση για το γιατί οι δομές που παρατηρήθηκαν μπορούν να γίνουν τόσο μεγάλες.
Τα σκυρμιόνια παρουσιάζουν ευρύ ενδιαφέρον επειδή συμπεριφέρονται ως ανθεκτικές, κομβοειδείς διατάξεις σπιν. Η τοπολογία τους μπορεί να τα καταστήσει ανθεκτικά σε πολλούς τύπους διαταραχών, γι’ αυτό και οι ερευνητές τα θεωρούν υποσχόμενους φορείς πληροφορίας. Το ελκυστικό μέρος αυτής της εργασίας είναι η διαδρομή προς τη δημιουργία τους.
Οι δομές αυτές προκύπτουν αποκλειστικά μέσω της συστροφής, χωρίς τη χρήση λιθογραφίας, βαρέων μετάλλων ή ισχυρών ρευμάτων. Αυτό κάνει την προσέγγιση να μοιάζει λιγότερο με εξαναγκασμό του μαγνητισμού να συμμορφωθεί και περισσότερο με μια προσπάθεια να αφήσουμε τη γεωμετρία να τον δελεάσει ώστε να πάρει μια χρήσιμη μορφή.
Προτείνοντας την ιδέα της μαγνητικής τάξης σπιν τύπου super-moiré, οι ερευνητές υπογραμμίζουν πώς η μηχανική της συστροφής (twist engineering) μπορεί να λειτουργήσει σε πολλαπλές κλίμακες μήκους. Μια αλλαγή στην ατομική ευθυγράμμιση μπορεί να οδηγήσει στην ανάδυση τοπολογικών δομών μεσοκλίμακας (mesoscale).
Αυτό αμφισβητεί την κοινή άποψη ότι η φυσική moiré περιορίζεται σε τοπικά φαινόμενα και τοποθετεί τη γωνία συστροφής ως μια θερμοδυναμική παράμετρο ελέγχου, η οποία ρυθμίζει τις αλληλεπιδράσεις ανταλλαγής, την ανισοτροπία και τις χειρόμορφες (chiral) αλληλεπιδράσεις για τη σταθεροποίηση τοπολογικών φάσεων. Από πρακτικής απόψεως, αυτές οι μεγάλες και ανθεκτικές σκυρμιονικές δομές τύπου Néel ενδέχεται να είναι ιδιαίτερα κατάλληλες για ενσωμάτωση σε συσκευές.
Οι διαστάσεις τους στη μεσοκλίμακα τις καθιστούν ευκολότερες στην ανίχνευση και τον χειρισμό, ενώ η τοπολογική τους προστασία και το μονωτικό υλικό φιλοξενίας υποστηρίζουν τη λειτουργία με εξαιρετικά χαμηλή απώλεια ενέργειας (dissipation).
Καθώς οι επιστήμονες συνεχίζουν να ερευνούν πώς η γεωμετρία διαμορφώνει τις κβαντικές αλληλεπιδράσεις, τέτοιες αναδυόμενες μαγνητικές καταστάσεις θα μπορούσαν να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη ενεργειακά αποδοτικών τεχνολογιών υπολογιστών της μετα-CMOS εποχής.
Ο Δρ. Elton Santos, Reader στη Θεωρητική/Υπολογιστική Φυσική Συμπυκνωμένης Ύλης στο Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου, του οποίου η ομάδα ηγήθηκε του τομέα της μοντελοποίησης του έργου, δήλωσε: «Αυτή η ανακάλυψη δείχνει ότι η συστροφή δεν είναι μόνο ένας ηλεκτρονικός “διακόπτης”, αλλά και ένας μαγνητικός. Βλέπουμε τη συλλογική τάξη των σπιν να αυτο-οργανώνεται σε κλίμακες πολύ μεγαλύτερες από το πλέγμα moiré. Αυτό ανοίγει την πόρτα στον σχεδιασμό τοπολογικών μαγνητικών καταστάσεων απλώς με τον έλεγχο της γωνίας, ο οποίος αποτελεί έναν εντυπωσιακά απλό χειρισμό με βαθιές πρακτικές συνέπειες».