Forsker Dennis Christensen foran Pulsed Laser Deposition-anlægget på DTU Energi

Magnetisme under pres: Keramisk materiale afslører nye hemmeligheder

mandag 17 dec 18

Kontakt

Dennis Valbjørn Christensen
Forsker
DTU Energi
20 96 19 46

Kontakt

Nini Pryds
Sektionsleder, Professor
DTU Energi
46 77 57 52

Artikel i Nature Physics

Artiklen 'Strain-tunable magnetism at oxide domain walls' af
D. V. Christensen, Y. Frenkel, Y. Z. Chen, Y. W. Xie, Z. Y. Chen, Y. Hikita, A. Smith, L. Klein,
H. Y. Hwang, N. Pryds og B. Kalisky er tilgængelig på Nature Physics' hjemmeside her (kræver adgang).
Et internationalt hold af forskere anført af DTU Energi har opdaget at det keramiske materiale strontium-titanat, som man normalt anser for at være ikke-magnetisk, kan udvise en kompliceret magnetisk orden når man påtrykker det en lokal kraft. Resultatet af deres undersøgelser er nu publiceret i det anerkendte videnskabelige tidsskrift Nature Physics.

Strontium-titanat (SrTiO3) eller STO er et gennemsigtigt materiale, der ikke kan lede elektrisk strøm. Dets bemærkelsesværdige lysbrydende egenskaber gjordet det på et tidspunkt meget efterspurgt som et syntetisk alternativ til smykkesten af diamant. Videnskabsfolk har studeret det i mange år, både på grund af dets mange interessante egenskaber og fordi man kan lave overflader af STO som er plane helt ned på atomart niveau. Dette gør STO til et perfekt substrat til at gro meget tynde keramiske lag ovenpå. Man kan fx bruge såkaldt pulsed laser deposition til at lægge perfekt definerede atomlag ned, et efter et, ned på overfladen af STO.

Sådanne kunstige heterostrukturer kan have egenskaber der er helt forskellige fra de materialer, de er opbygget af. Et markant eksempel er at man ved at lægge et meget tyndt isolerende lag oven på det isolerende STO kan gøre grænselaget elektrisk ledende. Og ved at kombinere to ikke-magnetiske materialer kan man skabe magnetisme (se Ph.d.-forsvar: Dennis opdager magnetisme når to ikke-magnetiske materialer sættes sammen). En gruppe på DTU Energi under ledelse af professor Nini Pryds har studeret disse systemer i flere år.

Men ren STO gemmer også på overraskelser, som Dennis Christensen opdagede under sit ph.d.-projekt på DTU Energi. Han opdagede at STO-heterostrukturer, men også STO i sig selv, kan udvise en magnetisk orden. Ved at måle det mikroskopiske landskab af den magnetiske tilstand på overfladen vha. en teknik kaldet scanning-SQUID-mikroskopi kunne Dennis påvise at STO kan have striber af magnetisme på overfladen, og at striberne afspejler retningen af de forskellige krystallografiske domæner i materialet. Striberne er højst nogle få mikrometer brede og kan kun detekteres med stor omhu. Dennis brugte et scanning-SQUID-mikroskop som består af en meget tynd spids hvorpå en lille superledende kreds (en SQUID – superconducting quantum interference device) der kan måle ekstremt små magnetfelter, er monteret. Spidsen bevæges så rundt lige over overfladen og kan på den måde måle den magnetiske struktur.

Ved at trykke spidsen af et scanning-SQUID-mikroskop ned mod STO-overfladen, kan man inducere en stribet magnetisk ordenDennis opdagede ikke bare en magnetisk orden i STO, han fandt også at ordenen kan ændres ved mekaniske påvirkninger: Ved at bruge spidsen på mikroskopet til forsigtigt at trykke ned på overfladen af STO og skabe en lokal kraft, kunne han ændre konfigurationen af de magnetiske striber drastisk. Eksistensen af en magnetisk orden der på denne måde kan tunes ved hjælp af den mekaniske spænding i materialet, giver et vigtigt bidrag til forståelsen af de fundamentale egenskaber af STO. Og så er det et skridt mod realiseringen af ‘spintroniske’ kredsløb på nanoskala, dvs. kredsløb hvor det ikke er elektrisk ladning der bærer informationen som i sædvanlige elektroniske kredsløb, men magnetiske spin. Nogle forskere mener at spintroniske kredsløb vil være en vej til væsentligt hurtigere computere.

Dennis udførte sine undersøgelser i samarbejde med Stanford University i USA og Bar-Ilan-universitetet i Israel der huser nogle af de bedste scanning-SQUID-grupper i verden. Som det ofte sker i videnskab, ledte han efter noget helt andet da han begyndte. “Det har været en interessant rejse som startede i 2015 med det formål at bruge scanning-SQUID-mikroskopi til at detektere om elektroner bevæger sig forskelligt i STO-heterostrukturer med høj eller lav ledningsevne, men efter næsten fire år mundede den uventet ud i opdagelsen af magnetiske striber, som kan tunes med mekaniske spændinger”, siger Dennis. Hans resultater er netop blevet offentliggjort i en af verdens førende fysiktidsskrifter, Nature Physics.

Nyheder og filtrering

Få besked om fremtidige nyheder, der matcher din filtrering.
https://www.energy.dtu.dk/nyheder/nyhed?id=7ECF4E47-3E1A-484C-A136-BFB445FC38B5&utm_device=web&utm_source=RelatedNews&utm_campaign=Nyt-projekt-stoettet-af-Poul-Due-Jensens-Fond-skal-give-staerkere-magneter
18 FEBRUAR 2019