Ученые из Делфтского университета совместно с коллегами из Университета Валенсии и Национального университета Сингапура изучили двумерный наноматериал feps₃ толщиной всего в несколько атомов. Впервые они разработали метод, позволяющий получить более глубокое представление о чрезвычайно сложных фазовых переходах таких материалов. Используя крошечные взвешенные мембраны из FEPS₃, команда вибрировала материал с высокой амплитудой, одновременно повышая температуру. Это показало, как изменяются колебания материала вблизи температуры фазового перехода и, вместе с тем, его магнитные свойства.

"Представьте себе барабан с магнитной структурой, где лазерный луч действует как барабанная палочка - непрерывно заставляя ее вибрировать, в то время как ее ритм слегка меняется в зависимости от изменения температуры", - объясняет Фарбод Алиджани, доцент факультета машиностроения Делфтского университета. "Пока этот магнитный барабан теплый, он свободен, и его магнитные вращения, которые являются естественными поворотами частиц, заставляющими их действовать как маленькие магниты, находятся в неупорядоченной фазе. Но как только барабан остывает, он затягивается, и вращения выстраиваются в упорядоченный порядок. Теперь представьте, что, барабаня, вы медленно меняете температуру с теплой на холодную. При этом вы замечаете не только то, что барабан начинает ощущаться по-другому, но и то, что это изменение не является плавным (линейным) - оно разворачивается сложным и нерегулярным (нелинейным) образом, влияя на его механические свойства."

Температура фазового перехода

Исследователи, по существу, измерили это нелинейное изменение во время фазового перехода. Используя наноразмерный барабан, они смогли определить температуру, при которой происходит это внезапное преобразование, и детально изучить, как меняется механическое поведение барабана. "Мы точно определили температуру фазового перехода на отметке -160 °C", - говорит Макар Шишкинс, чья докторская работа вдохновила на это исследование. "Кроме того, мы обнаружили, что изменения в механическом отклике, вызванные температурными сдвигами, напрямую связаны с магнитными и упругими свойствами материала".

Сверхчувствительные датчики

Эти мембраны исключительно чувствительны как к внутренним, так и к внешним воздействиям. Шишкинс добавляет: "Такая чувствительность делает их идеальными кандидатами для датчиков, способных обнаруживать даже очень небольшие изменения окружающей среды или внутренние напряжения в самом материале".

Команда планирует применить эту методологию для раскрытия секретов фазовых переходов в других наноматериалах. Соавтор Херре ван дер Зант: "В нашей лаборатории мы исследуем, сможем ли мы обнаружить так называемые спиновые волны с помощью нанодруба. Вы можете думать о спиновых волнах как о носителях информации в магнитном материале, подобно тому, как электроны являются носителями информации в проводящих материалах." Алиджани сосредоточится на воплощении этих результатов в практических приложениях, таких как улучшение характеристик датчиков. "Понимание этих нелинейных процессов закладывает основу для инновационных наномеханических устройств, включая сверхчувствительные датчики", - отмечает он.