برای اینکه آهنربا به در یخچال بچسبد، چندین اثر فیزیکی باید کاملاً هماهنگ شوند. یکی از نمونه اثرات این است که گشتاور مغناطیسی الکترون ها باید همگی در یک جهت قرار دارند، پدیده ای که حتی بدون میدان مغناطیسی خارجی رخ می دهد. این به دلیل برهمکنش و مبادله پیچیده، دافعه الکترواستاتیکی بین الکترون ها و خواص مکانیک کوانتومی اسپین های الکترون است که درنهایت گشتاورهای مغناطیسی را ایجاد می کند. این مکانیسم توضیح می دهد که چرا موادی مانند آهن و نیکل فرومغناطیسی هستند، به این معنی که آنها به طور دائم مغناطیسی هستند؛ مگر اینکه در دماهای بالاتر از دمای خاصی گرم شوند.
ساختارهای ناهمسان مواد دو بعدی مانند موره (Moiré)، بستری مناسب برای بررسی فیزیک همبستگی قوی الکترون‌ها فراهم می‌کنند. برخلاف مواد کوانتومی ، این مواد دارای خصوصیات قابل تنظیم مانند چگالی حامل و نسبت انرژی برهمکنش به قدرت پرش هستند که با همبستگی‌ها الکترون ها ارتباط دارند. علاوه بر این، بر خلاف شبیه‌سازهای کوانتومی با استفاده از اتم سرد، میتوان فیزیک و عملکرد مواد موره را با استفاده از میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی خارجی تغییر داد. از ماده موره، تا بحال در انبوهی از فیزیک های همبستگی مانند اثر هال غیرعادی کوانتومی و ابررسانایی استفاده شده است؛ ولی در این آزمایش، به عنوان یک تحقیق نوین به خاصیت بررسی تغییرات همبستگی تحت میدان مغناطیسی پرداخته شده است :
ماده مورد مطالعه، دو ساختار ناهمگن MoSe2/WS2 نوع R محصور شده در هلیوم مایع محصور شده بودند. ماده موره دارای 2 لایه است که این 2 لایه عدم تطابق بین شبکه و زاویه پیچش دارند که ابرشبکه ای با ثابت شبکه حدود 7.5 نانومتر ایجاد میکند .در این شبکه مکان هایی با تقارن بالا و حداقل پتانسیل الکتریکی وجود دارند که اتم های فلز دو لایه در آن مکان در یک راستا قرار دارند.اگر الکترونی به این ساختار تزریق شود ، شبکه مثلثی موره را اشغال می کنند، همانطور که در شکل بخش a نشان داده شده است.
برای این آزمایشات دو نمونه بررسی شده است که هر کدام دارای گیت‌های ولتاژ گرافنی مختص خود هستند .در نمونه اول، چگالی بار و میدان الکتریکی در ساختار ناهمگن را می توان به طور مستقل با استفاده از گیت‌های گرافن بالا و پایین تنظیم کرد، در حالی که نمونه دوم تنها دارای یک گیت گرافن است.
برای مشخص شده شدت های رزونانس ولتاژ ، طیف بازتاب به عنوان تابعی از چگالی الکترون در قسمت b شکل نمایش داده شده است که چندین رزونانس نزدیک به انرژی انتقال نوری در تک لایه MoSe2 مشاهده می‌شود.
اکثر آزمایشات مربوط به نمونه اول است :
این ولتاژها مربوط به پر شدن شبکه موره با یک یا دو الکترون در هر مکان ( ν به ترتیب 1و 2) است که حالت های تراکم ناپذیر تشکیل می شوند. برای ادامه آزمایش ها بر رزونانس 1.58 الکترون ولت تمرکز شده است.. همانطور که در شکل قسمت c نشان داده شده است، مساحت رزونانس لایه به صورت خطی به عنوان تابعی از چگالی الکترون ها در شبکه از ضریب ν = 1 افزایش می یابد و سپس به صورت خطی در νبین 1و 2 کاهش می یابد.
برای شکل قسمت d، طیف رزونانسی بازتابی در ν = 1، تسلاBz = 1 و کلوین T = 4.2 مورد بررسی قرار گرفته است که نشان دهنده تفاوت مشخصات رزوانسی برای نور با قطبش های دایروی راستگرد و چپگرد هستند.
در این آزمایش قطبش های دایروی تابیده شده درصورتی که Bz ≠ 0 باشد ساختار چندلایه ای موره را دچار رزونانس خواهند کرد. که از این خاصیت میتوان در بررسی میزان فرو مغناطیسی ماده استفاده کرد. در صورتی که نور با قطبش دایره ای به ماده فرو مغناطیس تابیده شود وابسته به میدان مغناطیسی خارجی میزان قطبش نور بازتابی تغییر میکند. هرچقدر همبستگی و چگالی اسپین بالا یا پایین الکترون بیشتر باشد نور بازتابی قطبیده تر خواهد شد و این موضوعی است که میتواند ایجاد اثر فرو مغناطیس در ماده را تایید کند :
برای به دست آوردن ایده ای در مورد برهمکنش اسپین های الکترون ساکن در شبکه موره، درجه قطبش ρAP نور بازتابیده به عنوان تابعی از Bz برای ν های 1 و 1.3 اندازه‌گیری شده است. برای آزمایش از یک لیزر با قدرت تحریک 11.7 پیکو واتی استفاده می‌شود که روی اوج رزونانس تنظیم شده. این مقدار شدت به منظور جلوگیری از نابودی هم بستگی اسپین توسط نور و در نتیجه حصول اطمینان از بررسی خواص مغناطیسی است.
در سمت راست برای وضوح بیشتر حول میدان های مغناطیسی کوچک، درجه قطبش ρAP به عنوان تابعی از میدان مغناطیسی Bz. کشیده شده که از فیت کردن مشخص است که همانند مواد فرومغناطیسی درجه قطبش بصورت خطی با تغییر میدان مغناطیسی تغییر خواهد کرد.
مشخصات تجربی سیستم های استفاده شده برای اندازه گیری:
. آزمایش‌ها روی نمونه اول درون یخچالی با دسترسی اپتیکی فضای آزاد در دمای 4 درجه کلوین و دمای اتاق انجام شده است. همچنین نمونه دوم در یک حمام هلیوم مایع با دسترسی به سیستم فیبر تک مودی مورد بررسی قرار گرفت. برای تنظیم پرتو فضای آزاد،. نمونه بر روی سه پیزوالکتریک نانویی نصب شده است. برای فضای فیبری از یک میکروسکوپ همکانونی ، با یک عدسی غیر کروی با مشخصه اپتیکی NA=0.7 استفاده شد، که نور را روی نقطه ای با پراش محدود متمرکز میکند.
برای اندازه گیری های طیفی از یک لیزر با پهنای طول موجی بلند همراه با یک فیلتر متغیر به عنوان منبع نور استفاده شد و نور بازتابی شده از ماده توسط یک طیف‌سنج با یک دوربین CCD خنک‌شده با نیتروژن مایع به عنوان آشکارساز اندازه‌گیری شد. برای اندازه گیری قطبش در دماهای میلی کلوین از لیزر پیوسته تیتانویم یاقوت تک فرکانسه استفاده شد که شدت آن روی رزونانس ماده تنظیم شده؛ نور منعکس شده با استفاده از فتودیودهای بهمنی اندازه گیری شد که امکان تشخیص سیگنال ها با شدت کم را فراهم می کند.
برای کاهش حساسیت اندازه‌گیری قطبش، در آزمایش‌ها روی نمونه اول، قطبش نور فرودی بین دایروی راستگرد و چپگرد با نرخ کیلوهرتز با استفاده از یک مدولاتور الکترواپتیک تغییر داده شد.برعکس نمونه اول ، نمونه دوم با نور پلاریزه خطی مورد آزمایش قرار گرفت. در بازتاب با استفاده از دستگاه تقسیم کننده پرتو ، مولفه های قطبش راستگرد و چپ گرد قطبی شده، از یکدیگر جدا شدند و با استفاده از دو دتکتور دیود بهمنی جداگانه شناسایی شدند. همه اندازه‌گیری‌ها با بازخورد از یک فوتودیود به یک مدولاتور آکوستو-اپتیک یا یک تضعیف کننده نوری متغیر تثبیت شدند.
به عنوان یک توضیح کوتاه تئوری برای نتیجه گیری، اثر فرو مغناطیسی به محض وجود بیش از یک الکترون در شبکه اتفاق می افتد. در نتیجه، جفت الکترون‌ها می‌توانند با هم متحد شوند و به اصطلاح دوبلون‌ها را تشکیل دهند. انرژی جنبشی الکترون ها زمانی به حداقل می رسد که دوبلون ها بتوانند از طریق تونل زنی مکانیک کوانتومی در کل شبکه پخش شوند. این اثر تنها در صورتی امکان پذیر است که تک تک الکترون های شبکه، اسپین های خود را به صورت فرومغناطیسی تراز کنند؛ در غیر این صورت اثرات برهمکنش مکانیکی کوانتومی برای تولید دوبلون ها، مختل می شود.
کشف این نوع جدید اثر فرومغناطیسی میتواند شیوه جدیدی برای ایجاد مواد فرومغناطیسی بصورت مصنوعی را ایجاد کند.
در این آزمایش ها، ماده موره بصورت مصنوعی ساخته و اثر فرو مغناطیسی به آن القا شده است. سوال مهم بعدی میزان دمای بحرانی برای اثر فرومغناطیس این ماده است. به همین منظور هدف مرحله بعدی آزمایشات، تغییر پارامترهای شبکه موره برای بررسی ثبات اثر فرومغناطیس برای دماهای بالاتر است.
منبع
Kinetic magnetism in triangular moiré materials” by L. Ciorciaro, T. Smoleński, I. Morera, N. Kiper, S. Hiestand, M. Kroner, Y. Zhang, K. Watanabe, T. Taniguchi, E. Demler and A. İmamoğlu, 15 November 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-06633-0
