Стоейки на ръба между 2D и 3D, графенът е смятан за„материал на чудесата”
(снимка: CC0 Public Domain)
От детство ни учат, че светът съществува в три физически измерения. Това е вярно до голяма степен, но се пропуска нещо очарователно – странния двуизмерен свят на материали от нано-мащаб, като например графена – „материал на чудесата”.
Графенът и неговите еднослойни аналози всъщност съществуват в три измерения, макар да са по-скоро „на ръба” между 2D и 3D. Защото тези така наречени 2D материали са с дебелина само един атом. Те са образец за невероятна структурна тънкост, която им придава всякакви странни сили.
Виждаме това в страховитата сила на графена и в начина, по който той се доближава до свръхпроводимостта. Нещата стават още по-странни, когато графенът се сприятели с друг графен: подредете листове от този двуизмерен материал в трислоен сандвич с височина три атома и се разкрива рядка форма на магнетизъм.
Сега, в ново проучване, ръководено от физици от Университета в Кеймбридж, учените са забелязали същия вид магнитни свойства с различен двуизмерен материал, наречен железен фосфорен трисулфид (FePS3). Той не е същият като графена (който е съставен от един слой въглеродни атоми), но често бива наричан „магнитен графен” поради своите тайнствени способности, когато е в ултратънка, слоеста структура.
В предишно проучване на някои от същите изследователи бяха установили, че когато слоеве FePS3 бъдат притиснати един към друг под високи нива на налягане, материалът преминава от изолатор, възпрепятстващ потока на електрони, в състояние на метал, при което се превръща в проводник.
Но изследователите все още не са наясно какво стои в основата на магнитното поведение на този „магнитен графен” под налягане, тъй като се очаква, че FePS3 би трябвало да престане да има магнитни свойства, когато влезе в „метално състояние”.
„Липсващото звено обаче остава магнетизмът”, казва квантовият физик Матю Коук, цитиран от Sciencealert. „Поради липсата на експериментални техники, способни да изследват свойствата на магнетизъм в този материал при толкова високо налягане, нашият международен екип трябваше да разработи и изпробва собствени нови техники, за да стане възможно това”.
Според новото изследване, FePS3 запазва своя магнетизъм под изключително високо налягане, поради новооткрит вид магнетизъм, който продължава да съществува по време на „металната фаза”.
„За наша изненада установихме, че магнетизмът оцелява и по някакъв начин се засилва”, обяснява старшият изследовател и физик Сиддхарт Саксена, ръководител на групата в лабораторията Кавендиш в Кеймбридж.
Въпреки че все още учените нямат всички отговори за това, което се случва с 2D материала, изглежда, че по време на компресирането „въртенето” на електроните в материала става източник на магнетизъм – и явлението може да бъде „настройвано” в зависимост от това на колко налягане е подложен материалът.
Макар че резултатите противоречат на предишни наблюдения за това как трябва да се държи FePS3, намерените тук изненади предполагат, че е възможно да се променят свойствата на магнитния графен и на други подобни материали. А това потенциално означава, че е възможно да се намерят материали, които поддържат свръхпроводимост, поради своите „екзотични форми на магнетизъм”, които учените все още не разбират напълно.
„Не знаем какво точно се случва на квантово ниво, но в същото време можем да го манипулираме”, казва Саксена. Констатациите са описани в публикация на Physical Review X.