Fase-overgangen in 2D-materialen bestuderen met laser

De resultaten van hun werk zijn gepubliceerd in Nature Communications.

Sinds de ontdekking van de uitzonderlijkex elektrische en mechanische eigenschappen van grafeen trekken lagen met diktes tot één atoom de belangstelling. Nieuwe functionaliteiten en fenomenen komen naar voren met de recente ontdekkingen van unieke soorten magnetische en elektronische fasen in deze lagen, waaronder supergeleidende ladingsdichtheidsgolven, 2D Ising antiferromagnetische en ferromagnetische fasen.

Resonante beweging

Faseovergangen spelen een belangrijke rol in materialen. In grote monsters zijn er verschillende technieken om deze faseovergang te meten. Bijvoorbeeld door het meten van de specifieke warmte, die abrupte veranderingen kan vertonen bij de faseovergang. Er zijn echter slechts enkele methoden beschikbaar om deze overgangen te bestuderen in atomisch dunne samples met een massa van minder dan een picogram. Dit is vooral een uitdaging voor ultradunne isolerende antiferromagneten, die slechts zwak gekoppeld zijn aan magnetische en elektronische sensoren.

De onderzoekers hebben nu aangetoond dat deze fasen kunnen worden bestudeerd door te kijken naar de resonerende beweging van membranen die van deze 2D-materialen zijn gemaakt. Deze membranen kunnen worden gevormd door een ultradun kristal over een holte in een substraat te hangen, waardoor een nanoschaal-trommel ontstaat. "We volgen de mechanische resonantiefrequentie van deze membranen met behulp van een rode laser terwijl we ze op MHz-frequenties in beweging brengen met een vermogensgemoduleerde blauwe laser", zegt  Makars Šiškins.

Plotselinge expansie

Toen de onderzoekers de membranen van FePS₃, NiPS₃ en MnPS₃ afkoelden, zagen ze een plotselinge verandering in hun resonantiefrequentie. Šiškins: "Interessant is dat deze verandering samenvalt met de temperatuur waarbij deze materialen hun magnetische spins antiferromagnetisch ordenen". De correlatie tussen de verandering in resonantiefrequentie en de magnetische ordening rond de faseovergangstemperatuur is een gevolg van de plotselinge expansie die optreedt wanneer de magnetische verstoring toeneemt, vergelijkbaar met de faseovergang van vloeistof naar gas. Deze expansie zorgt ervoor dat de mechanische spanning in het membraan afneemt, wat leidt tot een vermindering van de resonantiefrequentie, zoals bij de snaar van een gitaar.

Het nieuwe meetconcept is toepasbaar op een groot aantal dunne membraansystemen met verschillende faseovergangen, zoals de onderzoekers aantonen door hun observatie van de ordening van ladingsdichtheidsgolven in TaS2. "Daarom geloven we dat ons concept kan worden gebruikt bij de bestudering van een groot aantal materialen: 2D ferromagneten, complexe dunne 2D-oxidelagen en organische antiferromagneten. We verwachten dat dit zal leiden tot een beter begrip van de thermodynamica en de ordeningsmechanismen in tweedimensionale materialen".