С детства нас учат, что мир существует в трех физических измерениях. По большей части это правда, но с таким подходом мы упускаем кое-что весьма увлекательное: странный двумерный мир наноразмерных материалов, таких как «чудо-материал» графен.
Оказалось, что родственные графену «двухмерные» материалы под огромным давлением приобретают странные свойства, природа которых пока неизвестна
Графен и его однослойные аналоги на самом деле существуют в трех измерениях, хоть и на самой грани, говоря с точки зрения структуры. Все потому, что эти так называемые »2D-материалы» имеют толщину всего в один атом, воплощая невероятную структурную тонкость, которая придает им всевозможные странные и полезные особенности.
Ситуация становится еще более странной, когда графен начинает взаимодействовать сам с собой. Сложите листы этого двухмерного материала в трехслойный «бутерброд» высотой в три атома, и он внезапно обнаружит редкую форму магнетизма.
В новом исследовании, проведенном физиками из Кембриджского университета, ученые совершили аналогичные манипуляции с другим двумерным материалом, называемым трисульфидом фосфора железа (FePS3).
FePS3 — это не то же самое, что графен, который состоит из одного слоя атомов углерода, но его часто называют «магнитным графеном» из-за загадочных свойств при сверхтонкой слоистой структуре.
В предыдущем исследовании команда обнаружила, что когда сжатые слои FePS3 подвергались воздействию высокого давления, материал переходил из изолятора, препятствующего потоку электронов, в металлическое состояние, обладающее проводимостью. Но исследователи до сих пор не до конца поняли, что лежит в основе такого странного обретения магнитных свойств, поскольку ожидалось, что FePS3 попросту перестанет быть магнитом, когда перейдет в металлическое состояние.
«Не имея экспериментальных методов, позволяющих исследовать признаки магнетизма в этом материале при таком высоком давлении, нашей команде пришлось разработать и протестировать собственные новые методы», — пояснил квантовый физик Мэтью Коук.
Согласно новому исследованию, FePS3 сохраняет свой магнетизм при чрезвычайно высоком давлении из-за недавно открытого типа магнетизма, который все еще существует в металлической фазе. «К нашему удивлению, мы обнаружили, что магнетизм сохраняется и в некотором смысле даже усиливается», — объяснил старший научный сотрудник и физик Сиддхарт Саксена, руководитель группы в Кавендишской лаборатории Кембриджа.
«Это неожиданно, поскольку электроны, которые еще совсем недавно перемещались свободно, в новом проводящем материале больше не могут быть привязаны к родным атомам железа, создавая в них магнитные моменты. Мы предполагаем, что в данном случае проводимость исходит из неожиданного, пока неизвестного источника».
Хотя у нас еще нет всех ответов на то, что здесь происходит, во время сжатия «спин» электронов в материале кажется источником магнетизма — и это явление можно регулировать в зависимости от того, какому давлению подвергается FePS3.
Хотя результаты противоречат предыдущим наблюдениям за тем, как этот материал должен себя вести, сюрпризы нового открытия позволяют предположить, что в будущем мы сможем точечно настраивать магнитные свойства графен и ему подобных материалов. Это потенциально позволит найти материалы, которые поддерживают сверхпроводимость из-за этих экзотических форм магнетизма, а значит мы получим в распоряжение целый набор сверхпроводников нового поколения.
