Exotische ferromagnetische Ordnung in zwei Dimensionen

Zweidimensionale Materialien wie Graphen öffnen das Tor für Anwendungen in der Informations­technik, als Displays oder als hoch­empfind­liche Sensoren. Besonderes Interesse wecken van-der-Waals-Einzel­schichten: Kombi­na­tionen von zwei oder mehr atomar dünnen Materialien, die durch schwache elektro­statische van-der-Waals-Kräfte zusammen­gehalten werden. Durch die Auswahl der Material­schichten und ihre Anordnung zueinander lassen sich elektrische, magnetische oder optische Merkmale einstellen und variieren. Allerdings: Die groß­flächige, homogene Abscheidung von van-der-Waals-Einzel­schichten mit ferro­magnetischer Eigenschaft war bislang nicht möglich. Dabei ist gerade diese Art von Magnetismus auf großer Skala für einige poten­zielle Anwendungen besonders wichtig – zum Beispiel für neuartige dauer­hafte Daten­speicher. Einem Team des MPI für Mikro­struktur­physik in Halle, der Synchrotron-Lichtquelle ALBA in Barcelona und des Helmholtz-Zentrums Berlin für Energie und Materialien ist es jetzt gelungen, ein gleich­förmiges zwei­dimen­sio­nales Material zu erzeugen – und ein exotisches ferro­magnetisches Verhalten darin nach­zu­weisen, den „easy-plane“-Magnetismus.

Als Werkstoff verwendeten die Forscher Chrom­chlorid, das der entsprechenden Verbindung aus Chrom und Iod in seiner Struktur ähnelt, aber deutlich robuster sein kann. Eine groß­flächige mono­atomare Schicht dieses Materials brachte das Team per Molekular­strahl-Epitaxie auf ein Substrat aus Silizium­karbid auf. Dazwischen legten die Forscher eine Schicht aus Graphen. „Sie hatte den Zweck, die Wechsel­wirkung zwischen Chrom­chlorid und Silizium­karbid zu dämpfen und so zu verhindern, dass das Substrat die Eigen­schaften der mono­atomaren Chrom­chlorid-Schicht beeinflusst. Das war der Schlüssel, um an die schwer fassbare magnetische ‘leichte Ebene‘ heran­zu­kommen“, erklärt Amilcar Bedoya-Pinto vom MPI Halle. „Im Prinzip erhielten wir so eine fast frei­schwebende ultra­dünne Schicht, die nur durch schwache van-der-Waals-Kräfte mit der Graphen-Zwischen­lage verbunden war.“

Ziel war es, die Frage zu klären, wie sich die magnetische Ordnung in Chrom­chlorid zeigt, wenn dieses nur noch aus einer mono­atomaren Schicht besteht. In ihrer normalen, drei­dimen­sio­nalen Form ist die Substanz anti­ferro­magnetisch. Dabei sind die atomaren magnetischen Momente Schicht für Schicht in jeweils entgegen­gesetzter Richtung orientiert – wodurch das Material als Ganzes nicht magnetisch erscheint. Theoretische Über­legungen deuteten bislang darauf hin, dass die magnetische Ordnung verloren­geht oder eine schwache konven­tio­nelle Magneti­sierung zeigt, wenn das Material auf eine einzige Atom­schicht reduziert wird.

Doch der Gruppe gelang es nun, das zu wider­legen – durch einen detail­lierten Blick auf die magnetischen Eigen­schaften des 2D-Materials. Dazu nutzten sie die einzig­artigen Möglich­keiten der an der Synchrotron-Strahlungs­quelle BESSY II des HZB instal­lierten Vektor­magnet­anlage VEKMAG. „Die Einrichtung ermöglicht Material­unter­suchungen mit weicher Röntgen­strahlung in einem starken Magnetfeld – und das bei Temperaturen bis nahe dem absoluten Nullpunkt“, sagt Florin Radu, der Leiter des für die VEKMAG-Anlage verant­wort­lichen Teams am HZB. „Das macht die Anlage weltweit einzig­artig.“ An dieser Anlage konnte das Team die Orientierung einzelner magnetischer Momente bestimmen und dabei exakt zwischen Chrom- und Chlor-Atomen unterscheiden.

Die Messungen zeigten, wie sich unter­halb der Curie-Temperatur eine ferro­magnetische Ordnung in dem zwei­dimen­sio­nalen Werkstoff bildete. „In der mono­atomaren Chrom­chlorid-Schicht fand ein Phasen­übergang statt, der für easy-plane-Magneten charak­te­ristisch ist, aber an einem solchen 2D-Material zuvor noch nie beobachtet worden war“, berichtet Bedoya-Pinto.

Die Entdeckung bietet nicht nur neue Einsichten in das magnetische Verhalten zwei­dimen­sio­naler Materialien. „Wir haben damit nun auch eine exzellente Plattform, um eine Vielzahl physika­lischer Phänomene zu erforschen, die es nur in zwei­dimen­sio­nalen magnetischen Materialien gibt“, erklärt Bedoya-Pinto, beispiels­weise den wider­stands­losen Transport von Spins. Sie sind die Grundlage einer neuen Form der Daten­ver­arbeitung, die – anders als die herkömm­liche Elektronik – nicht elektrische Ladungen, sondern magnetische Momente nutzt. Diese Spintronik könnte künftig unter anderem eine deutlich schnellere und energie­sparende Speicherung von Daten ermöglichen.

HZB / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  A. Bedoya-Pinto et al.: Intrinsic 2D-XY ferromagnetism in a van der Waals monolayer, Science 374, 616 (2021); DOI: 10.1126/science.abd5146
• Nano Systems from Ions, Spins and Electrons, Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik, Halle
• VEKMAG – Vector Superconducting Magnet, BESSY II,  Helmholtz-Zentrums Berlin für Energie und Materialien, Berlin

Weitere Beiträge

• Dotierte 2D-Materialien (pro-physik.de Nachrichten, 24. Juni 2021)
• Ch. Stampfer, B. Beschoten und S. Staacks, Vielfalt in zwei Dimensionen, Physik Journal, Oktober 2019, S. 29 PDF