Vi känner till magnetism som en grundläggande naturkraft som spelar en avgörande roll både i naturen och i modern teknik. Den styr materialens beteende på atomnivå och är avgörande för att otaliga apparater i vår vardag ska fungera, till exempel datalagring, sensorer, trådlös laddning, ljudinspelnings- och uppspelningssystem och mycket mer.
Genom att förstå magnetismens ursprung, som har sina rötter i kvantmekaniken, kan forskare och ingenjörer manipulera magnetiska egenskaper för ytterligare innovativa tillämpningar och nya tekniker.
I denna strävan har ett team av fysiker från forskningsgruppen COMMIT vid universitetet i Antwerpen i Belgien utvecklat en metod som avslöjar de mikroskopiska ursprunget till magnetism i material, vilket särskilt demonstreras i utvalda atomärt tunna system, bättre kända som 2D-material.
Framsteget, som publicerats i Physical Review Letters, ger en helt ny inblick i hur magnetiska interaktioner uppstår och utvecklas på kvantnivå.
Magnetism har sitt ursprung i elektronernas kvantmekaniska egenskaper, särskilt deras inneboende spinn och banvinkelmoment. Inom atomer upptar elektroner orbitaler – områden i rymden som definieras av kvanttal – såsom s-, p-, d- och f-orbitaler, var och en med specifika former och kapaciteter. Magnetism uppstår främst från oparade elektroner i d- och f-orbitalerna, som är mer utsträckta i rymden och möjliggör starkare interaktioner mellan atomer.
I de flesta grundämnen är elektronerna spinnparade inom dessa orbitaler, vilket upphäver deras magnetiska moment. I grundämnen som järn, kobolt, nickel, krom och sällsynta jordartsmetaller som gadolinium finns det dock delvis fyllda d- (eller f-) orbitaler med oparade elektroner, vilket skapar ett nettoatomärt magnetiskt moment. Elektroner i delvis fyllda d- eller f-orbitaler kan ibland delokaliseras, vilket innebär att de inte är strikt bundna till en enda atom. Istället kan de ”hoppa” mellan närliggande atomorbitaler, ofta genom överlappande orbitaler eller via en mellanliggande atom.
Denna hoppning styrs av kvanttunnling och är känslig för energiskillnaden mellan platserna och överlappningen mellan orbitalerna. Elektronhoppning spelar en central roll i utbytesinteraktioner, som avgör hur atomära magnetiska moment inriktar sig mot varandra. I superexchange hoppar till exempel en elektron virtuellt mellan två magnetiska joner via en icke-magnetisk jon. Generellt sett kan många utbytesvägar vara möjliga i ett givet material och kan konkurrera med varandra om den magnetiska ordning de föredrar.
De kollektiva magnetiska egenskaperna hos ett material beror således både på förekomsten av oparade elektroner och de kvantmekaniska utbytesinteraktionerna mellan atomer, som främjas genom olika elektronhoppningsvägar. För att förklara ursprunget och mångfalden av magnetiska fenomen som observeras i material är det viktigt att förstå vilka orbitaler som deltar, hur mycket de bidrar till det magnetiska utbytet och genom vilka hoppningsvägar.
En sådan förståelse av vad som kvalitativt och kvantitativt driver magnetism på subatomär nivå har länge utgjort en utmaning inom kondenserad materiafysik och är avgörande för vidare utveckling av spintroniska enheter, kvantteknik och nästa generations datorsystem baserade på avancerad användning av magnetiska (kollektiv ordning av elektroners spinn) och magnoniska (kollektiv spinnprecession och dynamik) egenskaper hos ett givet material.
I sitt arbete tillämpade forskare från Antwerpen sin nya metodiska ram (kallad SHIM, förkortning av ”successive-hopping inclusion method”) på två välstuderade magnetiska 2D-material: kromtriiodid (CrI₃) och nickeldiiodid (NiI₂). Med sin metod lyckades teamet kartlägga varje elektronisk bidrag till magnetiska interaktioner och spåra de invecklade utbytesvägarna genom både magnetiska atomer (som krom och nickel) och icke-magnetiska ligander (som jod).
Dessutom generaliserade de sina resultat för CrI₃ och NiI₂ till andra magnetiska monolager som domineras av d8– och d3-elektronkonfigurationer av de magnetiska atomerna.
”Med vår metod kan vi nu exakt fastställa vilka atomer och orbitaler som styr magnetiska interaktioner, hur och i vilken utsträckning”, säger huvudförfattaren Denis Šabani. ”Detta öppnar helt nya möjligheter att designa material med skräddarsydda magnetiska egenskaper.”
Metoden kommer att göra det möjligt att förutsäga skillnader mellan ferromagnetiska, antiferromagnetiska och altermagnetiska beteenden, varifrån de härrör och hur de förändras under olika yttre stimuli – såsom mekanisk påfrestning, elektriska fält eller heterostrukturering med andra material. Detta genombrott utgör därför en solid grund för rationell design och precis ingenjörskonst av magnetiska material, vilket påskyndar utvecklingen mot smarta, effektiva och justerbara tekniker.
”Det handlar om att gå från att observera magnetism till att förstå och kontrollera den”, tillägger professor Milorad Milošević, huvudforskare i studien. ”Det gör det möjligt för oss att överbrygga klyftan mellan kvantteori och praktisk materialdesign, vilket öppnar nya vägar för innovation inom elektronik.”
