Institutionen för fysik och astronomi

Forskning: Svaga länkens styrka

2018-02-13

Forskare vid avdelningen för materialfysik vid Uppsala universitet har visat hur den kollektiva dynamiken mellan nanometerstora magnetiska öar, som liknar artificiella magnetiska atomer, kan uppvisa ett beteende som liknar vätskor. De nya fynden presenterades den 12 februari 2018 i tidskriften Nature Physics. 

Illustration av provet som används i experimenten. De vita pilarna visar magnetiseringsriktningen för de konstgjorda atomerna. Bild: Erik Östman.

Med hjälp av modern mönstringsteknik har forskarna skapat en tvådimensionell struktur bestående av dessa artificiella atomer gjorda av ett par atomlager tjocka järnskikt, inbäddade i palladium. Det unika med de nya strukturerna är att växelverkan mellan de artificiella atomerna kan kontrolleras på ett helt nytt sätt. 

—Det är fascinerande att se hur det magnetiska tillståndet i den tvådimensionella strukturen kan dresseras, från ett periodiskt välordnat tillstånd, till en vätskeliknande fas där lokal ordning samsas med oordning på långa avstånd. Och detta enbart med införandet av små cirkulära öar i strukturen, säger Erik Östman, doktorand i materialfysik vid Uppsala universitet. 

Då den magnetiska riktningen hos de enskilda artificiella atomerna kan förändras med hjälp av termisk energi, eller värme, så har forskarna kunnat utforska tids- och temperaturberoendet i vätskeliknande tillstånd. Just detta har inte kunnat göras tidigare då system som uppvisar liknande fenomen gör det för atomära magnetiska moment och vid extremt låga temperaturer nära den absoluta nollpunkten. 

Utöver det vätskeliknande tillståndet har forskarna kunnat påvisa ytterligare ett magnetiskt tillstånd där de artificiella atomerna grupperar sig och skapar enheter som i sig har specifika egenskaper och som bestämmer den magnetiska ordningen. Dessa fenomen kan inte beskrivas utifrån egenskaper hos enbart de individuella artificiella atomerna, men kan istället beskrivas utifrån ett kollektivt beteende av ett antal artificiella atomer. Denna nya kollektiva egenskap är ett bra exempel på ett så kallat emergent beteende. 

De magnetiska tillstånden har observerats med magnetiska mikroskopimetoder och har analyserats med hjälp av matematiska verktyg som i vanliga fall oftast förknippas med spridningsexperiment. Detta öppnar upp möjligheten att i framtiden kunna utföra spridningsexperiment med hjälp av elektromagnetisk strålning eller neutroner på liknande system, för att ytterligare kunna förstå både dynamiken och ordningen i dessa strukturer. 

—Detta är grundforskning, men resultaten från denna studie är mycket intressant för parallella aktiviteter inom gruppen där vi använder samma typer av strukturer för att sprida och styra ljus. Om det magnetiska tillståndet i ett prov kan kontrolleras på den här nivån finns möjligheten att använda dessa strukturer som aktiva optiska element, säger Vasillios Kapaklis, docent i materialfysik vid Uppsala universitet. 

—Kopplingen till, till exempel, elektromagnetisk strålning kan nyttjas för både utforskning av emergenta fenomen såväl som att eventuellt utföra beräkningar på ett helt nytt sätt. Nyttjandet av både ESS, för neutroner, och MAX IV, för synkrotron strålning, kommer att vara av stort värde för att utröna den fascinerande värld som har öppnats, tillägger Björgvin Hjörvarsson, professor i materialfysik vid Uppsala universitet. 

Forskningen utfördes i samarbete med Center for Functional Nanomaterials, Brookhaven National Laboratory, USA, och Advanced Light Source, Berkeley, USA. Forskningen finansierades av Vetenskapsrådet, Knut och Alice Wallenbergs stiftelse, Göran Gustafsson stiftelse, Stiftelsen för internationalisering av högre utbildning och forskning, samt European Research Council. 

Artikel

Interaction modifiers in artificial spin ices, Erik Östman, Henry Stopfel, Ioan-Augustin Chioar, Unnar B. Arnalds, Aaron Stein, Vassilios Kapaklis & Björgvin Hjörvarsson, Nature Physics, doi:10.1038/s41567-017-0027-2

Nytt EU-projekt inom ultrasnabb nanomagnetism

Fler nyheter