Inspiriert von Einstein und De Haas: Wissenschaftler entdecken ungewöhnliche ultraschnelle Bewegung in geschichteten magnetischen Materialien

Jun 14, 2023

Von Argonne National Laboratory, 7. August 2023

Atomarer Teppich, der durch durcheinandergebrachte Drehungen bewegt wird. Die Scherung von Atomschichten in geschichtetem Eisen-Phosphortrisulfid wird durch die Störung des Elektronenspins bei Einwirkung von Lichtimpulsen verursacht. Geordnete Drehungen links; durcheinandergebrachte Drehungen auf der rechten Seite. Bildnachweis: Bild des Argonne National Laboratory

Modernste ultraschnelle Bildgebungstechniken haben ultraschnelle mechanische Bewegungen entdeckt, die mit einer Änderung des magnetischen Zustands in einem Schichtmaterial verbunden sind. Dieser faszinierende magnetische Effekt könnte in Nanogeräten Anwendung finden, die eine äußerst präzise und schnelle Bewegungssteuerung erfordern.

Eine gewöhnliche Büroklammer aus Metall haftet an einem Magneten. Wissenschaftler klassifizieren solche eisenhaltigen Materialien als Ferromagnete. Vor etwas mehr als einem Jahrhundert berichteten die Physiker Albert Einstein und Wander de Haas über einen überraschenden Effekt mit einem Ferromagneten. Sie fanden heraus, dass, wenn man einen Eisenzylinder an einem Draht aufhängt und ihn einem Magnetfeld aussetzt, dieser zu rotieren beginnt, wenn die Richtung des Magnetfelds umgekehrt wird.

„Das Experiment von Einstein und de Haas gleicht fast einer Zaubershow“, sagte Haidan Wen, Physiker in den Abteilungen Materialwissenschaften und Röntgenwissenschaften des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE). ​„Man kann einen Zylinder in Rotation versetzen, ohne ihn jemals zu berühren.“

„In diesem Experiment wird eine mikroskopische Eigenschaft, der Elektronenspin, ausgenutzt, um eine mechanische Reaktion in einem Zylinder, einem makroskopischen Objekt, hervorzurufen.“

— Alfred Zong, Miller Research Fellow at the University of California, BerkeleyLocated in Berkeley, California and founded in 1868, University of California, Berkeley is a public research university that also goes by UC Berkeley, Berkeley, California, or Cal. It maintains close relationships with three DOE National Laboratories: Lawrence Berkeley National Laboratory, Los Alamos National Laboratory, and Lawrence Livermore National Laboratory." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Universität von Kalifornien, Berkeley

In der Fachzeitschrift Nature berichtet ein Forscherteam aus Argonne und anderen US-amerikanischen Nationallabors und Universitäten nun über einen analogen, aber unterschiedlichen Effekt bei einem ​„Anti“-Ferromagneten. Dies könnte wichtige Anwendungen in Geräten haben, die eine ultrapräzise und ultraschnelle Bewegungssteuerung erfordern. Ein Beispiel sind Hochgeschwindigkeits-Nanomotoren für biomedizinische Anwendungen, etwa für den Einsatz in Nanorobotern für minimalinvasive Diagnose und Chirurgie.

Der Unterschied zwischen einem Ferromagneten und einem Antiferromagneten hat mit einer Eigenschaft namens Elektronenspin zu tun. Dieser Spin hat eine Richtung. Wissenschaftler stellen die Richtung mit einem Pfeil dar, der nach oben oder unten oder in jede beliebige Richtung dazwischen zeigen kann. In dem oben erwähnten magnetisierten Ferromagneten können die Pfeile, die allen Elektronen in den Eisenatomen zugeordnet sind, in die gleiche Richtung zeigen, beispielsweise nach oben. Durch Umkehr des Magnetfeldes wird die Richtung der Elektronenspins umgekehrt. Alle Pfeile zeigen also nach unten. Diese Umkehrung führt zur Rotation des Zylinders.

„In diesem Experiment wird eine mikroskopische Eigenschaft, der Elektronenspin, ausgenutzt, um eine mechanische Reaktion in einem Zylinder, einem makroskopischen Objekt, hervorzurufen“, sagte Alfred Zong, Miller Research Fellow an der University of California, Berkeley.

Bei Antiferromagneten zeigen die Elektronenspins beispielsweise nicht alle nach oben, sondern abwechselnd von oben nach unten zwischen benachbarten Elektronen. Diese entgegengesetzten Spins heben sich gegenseitig auf und Antiferromagnete reagieren daher nicht wie Ferromagnete auf Änderungen in einem Magnetfeld.

„Die Frage, die wir uns gestellt haben, ist: Kann der Elektronenspin in einem Antiferromagneten eine Reaktion hervorrufen, die sich von der Zylinderrotation im Einstein-de-Hass-Experiment unterscheidet, aber im Geiste dieser ähnelt?“ sagte Wen.

Um diese Frage zu beantworten, präparierte das Team eine Probe von Eisenphosphortrisulfid (FePS3), einem Antiferromagneten. Die Probe bestand aus mehreren Schichten FePS3, wobei jede Schicht nur wenige Atome dick war.

“Unlike a traditional magnet, FePS3 is special because it is formed in a layered structure, in which the interaction between the layers is extremely weak,” said Xiaodong Xu, professor of physics and materials science at the University of WashingtonFounded in 1861, the University of Washington (UW, simply Washington, or informally U-Dub) is a public research university in Seattle, Washington, with additional campuses in Tacoma and Bothell. Classified as an R1 Doctoral Research University classification under the Carnegie Classification of Institutions of Higher Education, UW is a member of the Association of American Universities." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Universität von Washington.

„Wir haben eine Reihe bestätigender Experimente entworfen, in denen wir ultraschnelle Laserpulse auf dieses Schichtmaterial geschossen und die daraus resultierenden Änderungen der Materialeigenschaften mit optischen, Röntgen- und Elektronenpulsen gemessen haben“, fügte Wen hinzu.

Das Team fand heraus, dass die Impulse die magnetischen Eigenschaften des Materials verändern, indem sie die geordnete Ausrichtung der Elektronenspins durcheinander bringen. Die Pfeile für den Elektronenspin wechseln nicht mehr geordnet zwischen oben und unten, sondern sind ungeordnet.

“This scrambling in electron spin leads to a mechanical response across the entire sample. Because the interaction between layers is weak, one layer of the sample is able to slide back and forth with respect to an adjacent layer,” explained Nuh Gedik, professor of physics at the Massachusetts Institute of Technology (MITMIT is an acronym for the Massachusetts Institute of Technology. It is a prestigious private research university in Cambridge, Massachusetts that was founded in 1861. It is organized into five Schools: architecture and planning; engineering; humanities, arts, and social sciences; management; and science. MIT's impact includes many scientific breakthroughs and technological advances. Their stated goal is to make a better world through education, research, and innovation." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">MIT).

Diese Bewegung ist ultraschnell, mit unglaublichen 10 bis 100 Pikosekunden pro Schwingung. Eine Pikosekunde entspricht gerade einmal einem Billionstel einer Sekunde. Das ist so schnell, dass Licht in einer Pikosekunde nur einen Drittel Millimeter zurücklegt.

Messungen an Proben mit räumlicher Auflösung auf atomarer Skala und zeitlicher Auflösung in Pikosekunden erfordern wissenschaftliche Einrichtungen von Weltrang. Zu diesem Zweck setzte das Team auf hochmoderne ultraschnelle Sonden, die Elektronen- und Röntgenstrahlen zur Analyse atomarer Strukturen nutzen.

Motiviert durch optische Messungen an der University of Washington, nutzten die ersten Studien die Mega-Elektronenvolt-Anlage zur ultraschnellen Elektronenbeugung am SLAC National Accelerator Laboratory. Weitere Studien wurden an einem ultraschnellen Elektronenbeugungsaufbau am MIT durchgeführt. Ergänzt wurden diese Ergebnisse durch Arbeiten an der Anlage für ultraschnelle Elektronenmikroskope im Center for Nanoscale Materials (CNM) und den 11-BM- und 7-ID-Beamlines an der Advanced Photon Source (APS). Sowohl CNM als auch APS sind Benutzereinrichtungen des DOE Office of Science am Argonne National Laboratory.

Der Elektronenspin in einem schichtförmigen Antiferromagneten wirkt auch länger als Pikosekunden. In einer früheren Studie mit APS- und CNM-Einrichtungen beobachteten Mitglieder des Teams, dass sich die schwankenden Bewegungen der Schichten in der Nähe des Übergangs von ungeordnetem zu geordnetem Verhalten der Elektronenspins dramatisch verlangsamten.

“The pivotal discovery in our current research was finding a link between electron spin and atomic motion that is special to the layered structure of this antiferromagnet,” Zong said. ​“And because this link manifests at such short time and tiny length scales, we envision that the ability to control this motion by changing the magnetic field or, alternatively, by applying a tiny strain will have important implications for nanoscaleThe nanoscale refers to a length scale that is extremely small, typically on the order of nanometers (nm), which is one billionth of a meter. At this scale, materials and systems exhibit unique properties and behaviors that are different from those observed at larger length scales. The prefix "nano-" is derived from the Greek word "nanos," which means "dwarf" or "very small." Nanoscale phenomena are relevant to many fields, including materials science, chemistry, biology, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">nanoskalige Geräte.“

Referenz: „Spin-mediated shear oscillators in a van der Waals antiferromagnet“ von Alfred Zong, Qi Zhang, Faran Zhou, Yifan Su, Kyle Hwangbo, Xiaozhe Shen, Qianni Jiang, Haihua Liu, Thomas E. Gage, Donald A. Walko, Michael E. Kozina, Duan Luo, Alexander H. Reid, Jie Yang, Suji Park, Saul H. Lapidus, Jiun-Haw Chu, Ilke Arslan, Xijie Wang, Di Xiao, Xiaodong Xu, Nuh Gedik und Haidan Wen, 2. August 2023 , Nature.DOI: 10.1038/s41586-023-06279-y

Zu den weiteren Autoren zählen neben Wen, Zong, , Jie Yang, Suji Park, Saul Lapidus, Jiun-Haw Chu, Ilke Arslan, Xijie Wang und Di Xiao.

Diese Arbeit wurde hauptsächlich vom DOE Office of Basic Energy Sciences unterstützt.