Новый метод исследования фазовых переходов в двумерных материалах

Фазовые переходы играют важную роль в материалах. Однако в двумерных материалах, наиболее известным из которых является графен, фазовые переходы могут быть очень трудными для изучения.

Исследователи из Технологического университета Делфта и Университета Валенсии разработали новый метод, который помогает решить эту проблему. Они подвешивали ультратонкие слои двумерных материалов над полостью и отслеживали резонансную частоту полученных мембран с помощью лазеров. Результаты их работы были опубликованы в Nature Communications.

С момента открытия исключительных электрических и механических свойств графена — первого в мире двумерного (2-D) материала — слои материалов с толщиной до одного атома привлекают научный интерес.

Новые функциональные возможности и явления появляются благодаря недавним открытиям уникальных типов магнитных и электронных фаз в этих слоях, в том числе сверхпроводящих, волн плотности заряда, двумерных антиферромагнитных и ферромагнитных фаз.

Фазовые переходы играют важную роль в материалах: например, вода при комнатной температуре является жидкостью и замерзает ниже нуля по Цельсию, образуя материал с совершенно другими свойствами.

Резонансное движение

В больших образцах существует несколько методов измерения этих фазовых переходов, например, путем измерения удельной теплоемкости, которая может показать резкие изменения при фазовом переходе.

Однако доступно лишь несколько методов для изучения этих переходов в атомно тонких образцах с массой меньше, чем один пикограмм. Это особенно сложно для ультратонких изолирующих антиферромагнетиков, которые слабо связаны с магнитными и электронными зондами.

Исследователи из Делфтского технологического университета теперь продемонстрировали, что эти фазы можно изучать, глядя на резонансное движение мембран, изготовленных из этих двумерных материалов.

Эти мембраны могут быть сформированы путем подвешивания ультратонкого кристалла над полостью в подложке, создавая тем самым наноразмерный барабан.

«Мы отслеживаем частоту механического резонанса этих мембран, используя красный лазер, и приводим их в движение на мегагерцовых частотах с помощью мощного модулированного синего лазера», — объясняют ученые.

Внезапное расширение

Когда исследователи охладили мембраны FePS3, NiPS3 и MnPS3, они обнаружили внезапное изменение их резонансной частоты.

Интересно, что это изменение совпадает с температурой, при которой эти материалы упорядочивают свои магнитные спины антиферромагнитно.

Корреляция между изменением резонансной частоты и магнитного порядка при температуре фазового перехода является следствием внезапного расширения, которое происходит при увеличении магнитного беспорядка, подобно фазовому переходу из жидкости в газ.

Это расширение вызывает уменьшение механического напряжения в мембране, что приводит к снижению резонансной частоты, как в гитарной струне.

Новая концепция измерений применима к широкому спектру тонкослойных систем с различными фазовыми переходами, как показывают исследователи, наблюдая упорядочение волн плотности заряда в TaS2.

«По этой причине мы считаем, что наша концепция может быть применена для изучения широкого спектра материалов: двумерные ферромагнетики, тонкие двумерные сложные оксидные листы и органические антиферромагнетики. Мы ожидаем, что это приведет к лучшему пониманию термодинамики и механизмов упорядочения в двумерных материалах» — говорят ученые.

Makars Šiškins et al. Magnetic and electronic phase transitions probed by nanomechanical resonators, Nature Communications (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-16430-2