Otkrivena nova vrsta magnetizma

Istraživači sa Švicarskog federalnog instituta za tehnologiju ETH Zürich, otkrili su novu vrstu feromagnetizma, koji su nazvali "kinetičkim magnetizmom", pri kojem materijal postaje magnetičan jer je energija gibanja elektrona minimizirana kada se njihovi magnetski momenti poravnaju.

Kako bi otkrili ovaj učinak, istraživači su proizveli umjetni materijal s velikom konstantom rešetke i ohladili ga na temperaturu blizu apsolutne nule.  

Da bi se magnet koji imamo kod kuće zalijepio za vrata hladnjaka, unutar njega nekoliko fizičkih učinaka mora savršeno funkcionirati zajedno. Svi magnetski momenti njegovih elektrona pokazuju u istom smjeru, čak i ako ih vanjsko magnetsko polje ne prisiljava na to. To se događa zbog takozvane interakcije razmjene, kombinacije elektrostatskog odbijanja između elektrona i kvantno mehaničkih učinaka spinova elektrona, koji su zauzvrat odgovorni za magnetske momente. Ovo je uobičajeno objašnjenje za činjenicu da su određeni materijali poput željeza ili nikla feromagnetski, ili trajno magnetski, sve dok ih se ne zagrijava iznad određene temperature.

Na ETH Zürichu tim istraživača predvođen Ataçom Imamğluom s Instituta za kvantnu elektroniku i Eugeneom Demlerom s Instituta za teorijsku fiziku otkrio je novu vrstu feromagnetizma u umjetno proizvedenom materijalu, u kojem dolazi do poravnanja magnetskih momenata.

U Imamğluovom laboratoriju, doktorand Livio Ciorciaro, postdoktorand Tomasz Smolenski i kolege proizveli su poseban materijal stavljajući atomski tanke slojeve dvaju različitih poluvodičkih materijala (molibden diselenidi volfram disulfid) jedan na drugi. U kontaktnoj ravnini, različite konstante rešetke dvaju materijala, razmak između njihovih atoma dovodi do stvaranja dvodimenzionalnog periodičkog potencijala s velikom konstantom rešetke (trideset puta većom od konstante dvaju poluvodiča) i može se ispuniti elektronima primjenom električnog napona. “Takvi materijali su posljednjih godina privukli veliko zanimanje, budući da se mogu koristiti za istraživanje kvantnih učinaka elektrona u snažnoj interakciji”, kaže Imamğlu. "Međutim, do sada se vrlo malo znalo o njihovim magnetskim svojstvima."

Kako bi istražili ova magnetska svojstva, Imamğlu i njegovi suradnici mjerili su je li materijal za određeno elektronsko punjenje paramagnetičan, sa svojim magnetskim momentima nasumično usmjerenim, ili feromagnetičan. Osvijetlili su materijal laserskim svjetlom i izmjerili koliko se jako svjetlo reflektira za različite polarizacije. Polarizacija pokazuje u kojem smjeru oscilira elektromagnetsko polje laserskog svjetla, a ovisno o orijentaciji magnetskih momenata, a time i spinova elektrona, materijal će reflektirati jednu polarizaciju jače od druge. Iz te se razlike može se izračunati pokazuju li spinovi u istom smjeru ili u različitim smjerovima, iz čega se može odrediti magnetizacija.

Stalno povećavajući napon, fizičari su ispunili materijal elektronima i izmjerili odgovarajuću magnetizaciju. Sve do punjenja od točno jednog elektrona po mjestu rešetke, materijal je ostao paramagnetičan. Dok su istraživači nastavljali dodavati elektrone u rešetku, dogodilo se nešto neočekivano: materijal se odjednom ponašao vrlo poput feromagneta.

“To je bio zapanjujući dokaz za novu vrstu magnetizma koji se ne može objasniti interakcijom razmjene”, kaže Imamğlu. Zapravo, ako je interakcija razmjene odgovorna za magnetizam, to bi se trebalo pokazati i s manje elektrona u rešetki.

Eugene Demler, u suradnji s postdoktorandom Ivanom Morerom, konačno je došao na ključnu ideju: mogli bi promatrati mehanizam koji je japanski fizičar Yosuke Nagaoka teoretski predvidio još 1966. U tom mehanizmu, usmjeravajući svoje vrtnje prema u istom smjeru elektroni minimiziraju svoju kinetičku energiju (energiju gibanja), koja je mnogo veća od energije izmjene. U eksperimentu koji su izveli istraživači ETH-a, to se događa čim postoji više od jednog elektrona po mjestu rešetke unutar 'moiré' materijala. Kao posljedica toga, parovi elektrona mogu se udružiti u takozvane dublone. Kinetička energija je svedena na najmanju moguću mjeru kada se dubloni mogu raširiti preko cijele rešetke kroz kvantno mehaničko tuneliranje. To je, međutim, moguće samo ako pojedinačni elektroni u rešetki usmjere svoje spinove feromagnetski, jer su inače poremećeni kvantno-mehanički efekti superpozicije koji omogućuju slobodno širenje dublona.

Kao sljedeći korak, tim želi promijeniti parametre rešetke kako bi istražio je li feromagnetizam sačuvan za više temperature. U trenutnom eksperimentu taj se materijal ipak morao ohladiti na desetinku stupnja iznad apsolutne nule.

Istraživanje objavljeno u časopisu Nature možete pronaći na ovoj poveznici.