Προβλέψεις για εξωτικά φαινόμενα από φυσικούς του MIT

Συνδυασμός δύο πεδίων της φυσικής

Σε μια ανακάλυψη που μπορεί να οδηγήσει σε σημαντικά νέα φαινόμενα με εφαρμογές στην επιστήμη των υπολογιστών και πέρα από αυτήν, επιστήμονες του MIT έδειξαν ότι δύο προηγουμένως διαχωρισμένα πεδία στη φυσική συμπυκνωμένης ύλης μπορούν να συνδυαστούν για να αποδώσουν νέα, εξωτικά φαινόμενα. Η εργασία αυτή είναι θεωρητική, αλλά οι ερευνητές είναι ενθουσιασμένοι για τη συνεργασία με πειραματιστές για την υλοποίηση των προβλεπόμενων φαινομένων. Η ομάδα περιλαμβάνει τις απαραίτητες συνθήκες για την επίτευξη αυτού του τελικού στόχου σε μια εργασία που δημοσιεύθηκε στην έκδοση της 24ης Φεβρουαρίου του Science Advances.

Από θεωρητική εικασία σε πρακτική εφαρμογή

«Αυτή η εργασία ξεκίνησε ως μια θεωρητική εικασία και κατέληξε καλύτερα από ό,τι μπορούσαμε να ελπίζουμε», λέει ο Liang Fu, καθηγητής στο Τμήμα Φυσικής του MIT και επικεφαλής της εργασίας. Οι συνεργάτες του είναι ο Nisarga Paul, φοιτητής στο MIT και ο Yang Zhang, πρώην μεταδιδακτορικός ερευνητής στο MIT και νυν καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Τενεσί.

Η σημασία των 2D υλικών

Η τρέχουσα εργασία καθοδηγήθηκε από πρόσφατες εξελίξεις στα 2D υλικά, δηλαδή υλικά που αποτελούνται από ένα ή λίγα στρώματα ατόμων. «Ο κόσμος των δισδιάστατων υλικών είναι πολύ ενδιαφέρων γιατί μπορείς να τα στοιβάξεις και να τα στρίψεις, δημιουργώντας δομές με ασυνήθιστες ιδιότητες», λέει ο Paul, ο οποίος είναι ο πρώτος συγγραφέας της εργασίας. Αυτές οι δομές, με τη σειρά τους, ονομάζονται moiré υλικά. Ο καθηγητής φυσικής του MIT, Pablo Jarillo-Herrero, και οι συνεργάτες του έχουν ηγηθεί στον τομέα με το moiré γραφένιο, το οποίο αποτελείται από δύο ή περισσότερα φύλλα ατομικά λεπτού γραφενίου που τοποθετούνται το ένα πάνω στο άλλο και περιστρέφονται σε μια μικρή γωνία.

Συνδυασμός 2D μαγνητών και moiré υλικών

Άλλοι επιστήμονες έχουν προχωρήσει το πεδίο των δισδιάστατων μαγνητών. Τι μπορεί να συμβεί αν τα δύο πεδία —οι 2D μαγνήτες και τα moiré υλικά— συνδυαστούν; Αυτό είναι το επίκεντρο της τρέχουσας εργασίας. Συγκεκριμένα, η ομάδα προβλέπει ότι μια δομή αποτελούμενη από δύο στρώματα ενός 2D μαγνήτη, καλυμμένη από ένα στρώμα ενός 2D ημιαγωγού, θα δημιουργήσει ένα φαινόμενο που ονομάζεται flat band, στο οποίο τα ηλεκτρόνια στον ημιαγωγό παραμένουν ακίνητα. «Αυτό ήταν το θεωρητικά προκλητικό μέρος, γιατί δεν είναι εύκολο να ζητήσεις από ένα ηλεκτρόνιο να μείνει ακίνητο. Θέλουν να κινούνται και χρειάζεται πολύ λεπτομερής ρύθμιση για να τα κρατήσεις ακίνητα», εξηγεί ο Paul.

Η σημασία των skyrmions

Κλειδί στην έρευνα είναι ένα εξωτικό σωματίδιο που ονομάζεται skyrmion, το οποίο σχετίζεται με μια ιδιότητα των ηλεκτρονίων που ονομάζεται spin (μια άλλη, πιο γνωστή ιδιότητα των ηλεκτρονίων είναι το φορτίο τους). Το spin μπορεί να θεωρηθεί ως ένας στοιχειώδης μαγνήτης, όπου τα ηλεκτρόνια σε ένα άτομο είναι σαν μικρές βελόνες που προσανατολίζονται με έναν συγκεκριμένο τρόπο. Στους μαγνήτες στο ψυγείο σας, τα spins δείχνουν όλα προς την ίδια κατεύθυνση.

Εφαρμογές και προοπτικές

Σε ένα skyrmion, τα spins σχηματίζουν κόμβους που κατανέμονται στην επιφάνεια ενός υλικού. Σημαντικά, τα skyrmions είναι τοπολογικά αντικείμενα, δηλαδή οι ιδιότητές τους δεν αλλάζουν ακόμα και όταν υποβάλλονται σε μεγάλες παραμορφώσεις. Το 2016, το Νόμπελ Φυσικής απονεμήθηκε στους τρεις επιστήμονες που ανακάλυψαν τις τοπολογικές φάσεις της ύλης. Η συνέπεια είναι ότι οι μελλοντικές εφαρμογές των skyrmions θα είναι πολύ ανθεκτικές, ίσως οδηγώντας σε μια καλύτερη μορφή αποθήκευσης μνήμης στους υπολογιστές.

Προς μια συνταγή

Στην εργασία στο Science Advances, οι φυσικοί ορίζουν τις καλύτερες συνθήκες για τη δημιουργία μιας δομής μαγνήτη-ημιαγωγού με flat band. Ο Yang Zhang χρησιμοποίησε μια μέθοδο που ονομάζεται θεωρία συναρτήσεων πυκνότητας για να προβλέψει ποια υλικά θα επέτρεπαν τις ισχυρότερες αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ηλεκτρονίων στον ημιαγωγό και των skyrmions στον μαγνήτη. «Για να συμβεί κάτι ενδιαφέρον, χρειάζεσαι τα ηλεκτρόνια σε ένα στρώμα να αισθανθούν πραγματικά τα skyrmions στο άλλο στρώμα», λέει ο Paul. «Αυτό ποσοτικοποιείται από μια παράμετρο που ονομάζεται proximity exchange, ή J. Έτσι, ο Yang έψαχνε έναν συνδυασμό υλικών με μεγάλο J.»

Ιδανικοί συνδυασμοί υλικών

Βρήκε ότι ο καλύτερος συνδυασμός περιλαμβάνει ένα στρώμα δισουλφιδίου του μολυβδαινίου (ο ημιαγωγός) πάνω από στρώματα τριβρωμιδίου του χρωμίου (ο μαγνήτης). Ο Paul λέει, «Τυπικοί συνδυασμοί σε αυτές τις δύο οικογένειες υλικών θα έχουν ένα J περίπου ενός ή δύο millielectronvolts. Ο Yang βρήκε ότι αυτός ο συγκεκριμένος συνδυασμός έχει ένα J περίπου επτά millielectronvolts. Αυτό είναι τεράστιο.»

Η μαγεία της μαγνήτισης

Η ομάδα εντόπισε επίσης ένα συγκεκριμένο «μαγικό» επίπεδο μαγνήτισης που είναι επίσης κλειδί για την υλοποίηση ενός ισχυρού flat band. «Η μηχανική των επίπεδων ηλεκτρονικών ζωνών μέσω moiré υπερπλεγμάτων έχει αναδειχθεί ως μια ισχυρή τεχνική για την εξερεύνηση [μιας ποικιλίας ασυνήθιστων] επιδράσεων», λέει ο Xiaodong Xu από το Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον, ο οποίος δεν συμμετείχε στην εργασία. Η ομάδα «παρουσιάζει μια καινοτόμο μέθοδο για τη δημιουργία τοπολογικά επίπεδων ζωνών συνδυάζοντας 2D ημιαγωγούς με 2D μαγνητικά moirés. Η έλξη αυτής της προσέγγισης έγκειται στο