Magnetisme op het randje

Voor het eerst hebben onderzoekers aangetoond dat fosforeen nanolinten – dunne plakjes zwarte fosfor, slechts enkele nanometers dik – zowel magnetische als halfgeleidende eigenschappen vertonen bij kamertemperatuur. Dit maakt fosforeen nanolinten een unieke klasse van materialen, met veelbelovende eigenschappen die sterk afwijken van die van conventionele magnetische halfgeleiders. De ontdekking is een veelbelovende stap in de richting van mogelijk nieuwe kwantumtechnologieën.

Het onderzoek, gepubliceerd in Nature, werd uitgevoerd door onderzoekers van de Universiteit van Cambridge, de Universiteit van Warwick, University College London, Freie Universität Berlin en HFML-FELIX.

Magnetisme bij kamertemperatuur

Wetenschappers vermoedden al lang dat laagdimensionale fosforeen nanolinten unieke magnetische en halfgeleidende eigenschappen zouden moeten hebben, maar tot nu was dit moeilijk te bewijzen. Met behulp van verschillende experimentele technieken in een aangelegd magneetveld is het onderzoekers nu gelukt om het opmerkelijke magnetische gedrag van fosforeen nanolinten bij kamertemperatuur aan te tonen en hoe dit gedrag beïnvloedt kan worden met licht.

Onder de invloed van relatief zwakke magnetische velden (<1 Tesla) reageren de nanolinten in oplossing verrassend genoeg soortgelijk als hoe ijzervijlsels zich rangschikken rond een magneet. Bovendien kunnen de nanolinten, wanneer ze in een dun laagje worden aangebracht, macroscopisch magnetisch gedrag vertonen dat tot nu alleen werd gezien bij klassieke magnetische metalen zoals ijzer en nikkel.

Leven op het randje

Misschien nog wel de meest opwindende vondst binnen dit onderzoek is het feit dat de nanolinten, naast dit magnetisme, ook bijzondere eigenschappen laten zien afkomstig van de magnetische rand van het nanolint, onder invloed van interacties met atomaire trillingen (fononen). Deze interacties zijn niet toegestaan in een regulier bulkkristal van zwarte fosfor en leiden ertoe dat de fosforeen nanolinten een unieke combinatie van magnetische, optische en vibrationele eigenschappen ten toon spreiden. De bevindingen zijn de eerste experimentele validatie van de voorspelde (maar moeilijk waar te nemen) magnetische eigenschappen van fosforeen nanolinten bij kamertemperatuur.

Toekomstig werk

Daarmee is dit resultaat veelbelovend voor verschillende onderzoeksrichtingen. Het zou de weg vrij kunnen maken voor spintronische apparaten die de spin van elektronen gebruiken in plaats van hun lading. Hiermee zouden nieuwe computertechnologieën mogelijk kunnen worden, zoals een schaalbare productie van kwantumelektronica, flexibele elektronica of een nieuw soort transistoren. In vervolgonderzoek willen de wetenschappers de koppeling tussen magnetisme, licht en trillingen aan de rand van deze nanolinten verder bestuderen, om zo te verkennen tot welke nieuwe toepassingen deze eigenschappen zouden kunnen leiden.

Link naar de paper: Magnetically and optically active edges in phosphorene nanoribbons

Contact persoon: Peter Christianen
Credit foto: Raj Pandya