U slojevitom magnetskom materijalu Fe5GeTe2 fizičari su pronašli stanje u kojem se velik broj elektrona giba neuobičajeno sporo, ali pritom zadržava zajedničko kvantno ponašanje. Nalaz sa Sveučilišta u Chicagu odstupa od teorijskih predviđanja i mogao bi biti koristan u istraživanju novih načina pohrane podataka.
Najvažniji trag pojavio se u mjerenju elektronske strukture: istraživači su uočili gotovo ravan energijski pojas. U takvom pojasu energija elektrona vrlo se malo mijenja s njihovim impulsom, što je povezano s malom brzinom njihova gibanja kroz materijal. Pritom se elektroni ne mogu opisati samo kao neovisne čestice; njihovo međudjelovanje određuje ponašanje cijelog sustava.
Tim iz laboratorija fizičara Shuolonga Yanga opisao je taj nalaz u radu objavljenom 7. kolovoza u časopisu Science Advances.
Lasersko mjerenje otkrilo je neočekivani energijski pojas
Fe5GeTe2, spoj željeza, germanija i telura, pripada van der Waalsovim magnetima. Njihova slojevita građa omogućuje izdvajanje vrlo tankih uzoraka, zbog čega su zanimljivi za istraživanje elektronike na razini nekoliko atomskih slojeva.
Yangov tim, u kojem su sudjelovali Gabriele Berruto i Qiang Gao, koristio je kutno razlučenu fotoemisijsku spektroskopiju, poznatu pod kraticom ARPES. Svjetlost u toj metodi izbacuje elektrone s površine uzorka. Mjerenjem njihove energije i smjera izlaska istraživači rekonstruiraju elektronsku strukturu materijala.
Ultraljubičasti laser usmjerili su na područje široko približno deset mikrometara. Mjerenje je pokazalo ravan energijski pojas, povezan s uređenjem električnog naboja. Elektroni u tom stanju imaju uređen raspored, a njihovo kolektivno gibanje ostaje kvantno koherentno.
Kvantna koherencija znači da se među elektronskim stanjima održavaju stabilni fazni odnosi, pa se elektroni ponašaju kao povezan kvantni sustav. Mjerenja opisuju njihovo kolektivno ponašanje, a ne putanju pojedine čestice. Upravo je taj rezultat iznenadio istraživače.
Magnetska svojstva zahtijevaju drukčije objašnjenje
Prema objašnjenju Sveučilišta u Chicagu, opaženi rezultat ne odgovara dotadašnjim teorijskim predviđanjima za taj materijal. Berruto smatra da nalaz upućuje na bitno drukčija magnetska međudjelovanja od onih koja su se očekivala.
Fe5GeTe2 može imati različite rasporede atoma i različita magnetska stanja. Ta raznolikost posebno zanima istraživače memorijskih uređaja: ako se između stanja može pouzdano prelaziti, ona bi mogla poslužiti za pohranu podataka.
Upravljanje magnetizmom ultratankih materijala već je zasebno područje istraživanja. Kozmos je nedavno pisao o promjeni magnetskog stanja malim električnim naponom, u strukturi sastavljenoj od drugih materijala. Tim u Chicagu ispituje drukčiji pristup: može li precizno usmjeren laser prebacivati Fe5GeTe2 između opažene kolektivne faze i drugih stanja.
Do memorije na sobnoj temperaturi još je dug put
Kvantna koherencija u ovom je pokusu opstala do približno 100 kelvina, odnosno oko −173 Celzijeva stupnja. To je znatno iznad apsolutne nule, ali i dalje daleko ispod sobne temperature. Rezultat se stoga još ne može izravno prenijeti u uobičajene elektroničke uređaje.
Gao, koji danas radi u Nacionalnom laboratoriju Lawrence Berkeley, naglašava da bi za primjenu u memorijskim uređajima takvo ponašanje trebalo održati na sobnoj temperaturi. Mogućnost laserskog prebacivanja između faza tim već istražuje, ali još nije predstavljen gotov memorijski uređaj temeljen na tom učinku.
Sljedeća provjera odnosi se na debljinu uzorka. Istraživači žele utvrditi ostaju li ista svojstva kada se materijal stanji do jednog atomskog sloja. Taj će pokus pokazati može li se opaženo kolektivno stanje održati i u najtanjem obliku materijala, važnom za buduće elektroničke sklopove.
