Материалы с сильными электронными взаимодействиями могут найти применение в энергоэффективной электронике. Когда эти материалы помещаются на подложку, их электронные свойства изменяются за счет переноса заряда, деформации и гибридизации.

Исследование также показывает, что электрические поля и приложенная деформация могут быть использованы для "переключения" взаимодействующих фаз, таких как магнетизм, что позволяет использовать их в будущей энергоэффективной электронике.

ВКЛЮЧЕНИЕ И ВЫКЛЮЧЕНИЕ МАГНЕТИЗМА С ПОМОЩЬЮ ПОДЛОЖЕК

Сильные взаимодействия между электронами в материалах приводят к таким эффектам, как магнетизм и сверхпроводимость. Эти эффекты находят применение в магнитной памяти, спинтронике и квантовых вычислениях, что делает их привлекательными для новых технологий.

В прошлом году другое исследование в Монаше обнаружило сильные электронные взаимодействия в двумерной металлорганической структуре. Исследователи обнаружили признаки магнетизма в этом материале. Они показали, что этот магнетизм возник из-за сильных взаимодействий, которые присутствовали только тогда, когда немагнитные компоненты были сведены вместе.

Этот материал был выращен на металлической подложке. Субстрат был важен для роста и измерения материала.

Пояснитель: Металлорганический каркас

Кристаллический материал, в котором органические молекулы соединены атомами металла. Металлорганические каркасы могут проявлять множество различных свойств, изменяя молекулы или атомы металла. Понимание возбуждений квазичастиц и их взаимодействий имеет решающее значение для усилий по управлению сложными материалами (такими как высокотемпературные сверхпроводники и топологические изоляторы), которые могут составить основу будущей низкоэнергетической электроники и квантовой обработки информации.

"Мы наблюдали этот эффект, когда материал выращивали на серебре, но не тогда, когда он выращивался на меди, несмотря на то, что они были очень похожи", - говорит Бернард Филд (Монаш), соавтор более раннего исследования и ведущий автор текущего исследования.

"Итак, напрашивается вопрос: почему материал вел себя так по-разному на разных подложках?"

Исследователи смоделировали металлорганический каркас на множестве различных подложек, чтобы определить, при каких условиях может возникнуть магнетизм.

Они также создали простую модель, которая точно описывала физические явления в их моделировании в атомном масштабе. Эта модель позволила команде быстро и легко исследовать более широкий спектр систем с точным контролем важных параметров.

Были обнаружены три ключевые переменные, определяющие влияние субстратов на электронные взаимодействия: перенос заряда, деформация и гибридизация субстрата.

• Передача заряда это когда подложка отдает или забирает электроны из двумерного материала. Эффект взаимодействий был наиболее сильным, когда материал имел один свободный электрон на молекулу.
• Напряжение это когда подложка растягивает или сжимает 2D-материал. Когда материал растягивается, электронам трудно перемещаться между молекулами и атомами, поэтому они сильнее испытывают локальные взаимодействия.
• Гибридизация это когда электронный характер подложки и 2D-материала смешиваются из-за связи между ними. Металлические подложки часто имеют сильную гибридизацию, которая может подавлять магнетизм. Но изолирующие подложки, такие как атомарно тонкий гексагональный нитрид бора, обладают очень слабой гибридизацией и сохраняют электронные взаимодействия в материале.

С таким пониманием того, что представляют собой ключевые переменные, можно рассмотреть, как манипулировать этими переменными для управления электронными взаимодействиями.

Исследование показало, что электрическое поле может включать и выключать магнетизм, изменяя передачу заряда.

Электрические поля - это то, как работают существующие транзисторы. Наличие электрического контроля магнитных фаз жизненно важно для использования этих материалов в электронных устройствах.

Исследование также показало, что приложенное напряжение может включать и выключать магнетизм. Этого можно было бы достичь с помощью пьезоэлектрических материалов. Это также является важным фактором для гибкой электроники.

"Команда продолжает исследовать сильные взаимодействия в 2D металлорганических каркасах, которые обеспечивают богатую платформу для изучения новой квантовой физики, применяемой для энергоэффективных электронных устройств", - говорит автор-корреспондент профессор Нихил Медхекар (Департамент материаловедения и инженерии Монаша), который руководил исследованием. "Мы исследуем более продвинутые методы для моделирования сильных взаимодействий между электронами".

"Эта работа дает количественные прогнозы, используя различные теоретические формализмы, относительно электронных свойств низкоразмерных наноматериалов на широком спектре подложек и условий", - говорит соавтор, профессор Агустин Шиффрин (Школа физики и астрономии Монаша), который руководит экспериментальными исследованиями этих материалов, "Это может руководите будущими экспериментами в реальном мире, что чрезвычайно ценно для исследователей-экспериментаторов".

Это исследование было поддержано Австралийским исследовательским советом (Центр передового опыта и будущие программы стипендий). Ресурсы для численных расчетов были предоставлены Национальной вычислительной инфраструктурой (NCI) и суперкомпьютерным центром Pawsey.