Οι φυσικoί κατασκεύασαν επιτέλους δισδιάστατους μαγνήτες

Posted on 09/06/2017

0


… με πάχος ενός μόνο ατόμου!

Η τελευταία προσθήκη στην οικογένεια των 2D υλικών μια μαγνητική μορφή του χλωριούχου τριιωδίου

Ένα από τα πιο ενδιαφέροντα φαινόμενα στη φυσική της στερεάς κατάστασης είναι ο σιδηρομαγνητισμός. Σε μερικά μέταλλα, όπως ο σίδηρος και το νικέλιο, τα σπιν των ατόμων τους προσανατολίζονται αυθόρμητα στην ίδια κατεύθυνση, δημιουργώντας έτσι ένα μακροσκοπικό μαγνητικό πεδίο (στη συνέχεια όπου διαβάζετε σπιν να φαντάζεστε μικροσκοπικούς μαγνήτες). Αυτό συμβαίνει μόνο όταν η θερμοκρασία είναι μικρότερη από μια χαρακτηριστική θερμοκρασία, την θερμοκρασία Curie. Για μεγαλύτερες θερμοκρασίες από την θερμοκρασία Curie τα σπιν προσανατολίζονται τυχαία και έτσι δεν παράγουν συνολικά μαγνητικό πεδίο. Η μετάβαση από την μη-σιδηρομαγνητική κατάσταση στην σιδηρομαγνητική και αντιστρόφως, είναι αυτό που ονομάζουμε στην φυσική μετατροπή φάσης.

Ο Ernst Ising[1] στα μέσα της δεκαετίας του 1920 επιχείρησε να ερμηνεύσει το φαινόμενο υπό την καθοδήγηση του Wilhelm Lenz, χρησιμοποιώντας τις μεθόδους της στατιστικής φυσικής και τις νέες ιδέες που έφερνε η κβαντική μηχανική. Τελικά ο Ising στην διδακτορική του διατριβή, ανέλυσε το μονοδιάστατο  μοντέλο, δηλαδή μια αλυσίδα από σπιν, όπου το καθένα αλληλεπιδρά με τα δυο πλησιέστερα. Δυστυχώς όμως στο μονοδιάστατο μοντέλο Ising[2] δεν προκύπτουν οι αναμενόμενες σιδηρομαγνητικές ιδιότητες. Με το ίδιο ζήτημα ασχολήθηκαν αργότερα και οι Heisenberg και ο Pauli[3]. Οι μόνιμοι μαγνήτες (οι σιδηρομαγνήτες) σχετίζονται άμεσα με την απαγορευτική αρχή του Pauli, σύμφωνα με την οποία, τα αντιπαράλληλα «θέλουν» να βρίσκονται κοντά, ενώ τα παράλληλα σπιν αλληλοαποφεύγονται[4].

Ο Onsager το 1941 έδωσε τελικά την λύση για το μοντέλο Ising στις δυο διαστάσεις – ενώ τo τρισδιάστατο πρόβλημα παραμένει ακόμα άλυτο αναλυτικά.

Ενώ λοιπόν τα μαγνητικά υλικά δυο διαστάσεων σε θεωρητικό επίπεδο έχουν μεγάλη παιδαγωγική αξία, μέχρι σήμερα οι φυσικοί δεν ήταν σίγουροι πως είναι δυνατή η κατασκευή τους. Τελικά όμως φαίνεται πως θα αποκτήσουν και πρακτική σημασία μπαίνοντας στην καθημερινή μας ζωή, αφού οι ερευνητές Huang et al ανακοίνωσαν την κατασκευή ενός μαγνήτη δυο διαστάσεων, με πάχος ενός μόνο ατόμου!

Υλικά δυο διαστάσεων με πάχος ενός ατόμου

Από την ανακάλυψη του γραφενίου, ενός υλικού δυο διαστάσεων με το πάχος ενός ατόμου, το 2004, ο αριθμός των δισδιάστατων υλικών που έχουν κατασκευαστεί έχει μεγαλώσει αρκετά. Έχουν κατασκευαστεί ημιαγωγοί, μονωτές και υπεραγωγοί ως επιφάνειες με πάχος ατόμου. Και τώρα ήρθε η σειρά των δισδιάστατων μαγνητών.

Οι Huang et al δημιούργησαν τον πρώτο 2D μαγνήτη από τριιωδιούχο χρώμιο. Σύμφωνα με το Nature [Physicists have finally created a 2D magnet], αυτή η ανακάλυψη θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέες συσκευές αποθήκευσης δεδομένων.

Στο παρελθόν, είχε αποδειχθεί πως το τριιωδιούχο χρώμιο στην τρισδιάστατη πολυστρωματική κρυσταλλική μορφή του διαθέτει σιδηρομαγνητικές ιδιότητες, δημιουργεί δηλαδή αυθόρμητα ένα μαγνητικό πεδίο. Όμως κανένα τρισδιάστατο σιδηρομαγνητικό υλικό δεν διατηρούσε τις μαγνητικές ιδιότητές του, καθώς εκφυλιζόταν σε δύο διαστάσεις.

Έτσι, οι Huang et al κατάφεραν για πρώτη φορά να κατασκευάσουν υλικό δυο διαστάσεων, το οποίο αποκτά μαγνητικές ιδιότητες σε πολύ χαμηλή θερμοκρασία, στους -228 °C περίπου.  Το επόμενο σημαντικό βήμα θα είναι να κατασκευαστεί ένας δισδιάστατος μαγνήτης που να λειτουργεί σε θερμοκρασία δωματίου και δεν θα χρειάζεται να προστατεύεται από το οξυγόνο,  έτσι ώστε να μπορεί να αξιοποιηθεί σε ηλεκτρονικές συσκευές στην καθημερινή ζωή.

σημειώσεις
[1] Πριν από λίγες μέρες δημοσιεύθηκε ένα άρθρο με τίτλο «The Fate of Ernst Ising and the Fate of his Model», στο οποίο περιέχονται πολλές ενδιαφέρουσες λεπτομέρειες από την προσωπική ζωή και την έρευνα του Ernst Ising. Ένας από τους συγγραφείς του άρθρου είναι και ο γιος του Ernst Ising,Thomas.

[2] Το μοντέλο Ising αποτελεί την μοναδική περίπτωση στην ιστορία των επιστημών όπου μια εργασία παίρνει το όνομα του φοιτητή και όχι του  επιβλέποντος καθηγητή!

[3] Οι Ising και Pauli ήταν συνομήλικοι και στις αρχές του 1920 συνυπήρξαν στο Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής στο Αμβούργο του οποίου διευθυντής ήταν ο Wilhelm Lenz.

[4] Προκειμένου να μειώσουν τις ηλεκτροστατικές τους απώσεις, για να πετύχουν έτσι την κατάσταση ελάχιστης ενέργειας, τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας του σιδηρομαγνήτη παραλληλίζουν τα σπιν τους και δημιουργούν έτσι έναν ισχυρό μακροσκοπικό μαγνήτη. Μπορεί να ακούγεται περίεργο, αλλά ο μακροσκοπικός μαγνητισμός είναι αποτέλεσμα της ηλεκτρικής δύναμης, με την βοήθεια της απαγορευτικής αρχής του Pauli. Oι ατομικοί μαγνήτες ευθυγραμμίζονται όχι εξαιτίας των μαγνητικών τους αλληλεπιδράσεων, αλλά εξαιτίας της απαγορευτικής αρχής του Pauli και της ενέργειας της ηλεκτροστατικής αλληλεπίδρασης των ηλεκτρονίων. Η ηλεκτροστατική ενέργεια ελαχιστοποιείται όταν ευθυγραμμίζονται τα σπιν τους, διότι τότε η αρχή του Pauli τα υποχρεώνει να κρατιούνται σε απόσταση. Τα δυο αυτά αίτια μαζί αποτελούν αυτό που ονομάζεται αλληλεπίδραση ανταλλαγής.