„Der eigentliche Grund dafür, dass wir in unserem Alltag Magnetismus haben, liegt in der Stärke der Elektronenaustauschwechselwirkungen“, sagte der Co-Autor der Studie Ataç İmamoğluPhysiker ebenfalls am Institut für Quantenelektronik.
Doch wie Nagaoka in den 1960er Jahren theoretisierte, sind Austauschwechselwirkungen möglicherweise nicht die einzige Möglichkeit, ein Material magnetisch zu machen. Nagaoka stellte sich ein quadratisches, zweidimensionales Gitter vor, in dem jeder Platz im Gitter nur ein Elektron hatte. Dann hat er herausgefunden, was passieren würde, wenn man unter bestimmten Bedingungen eines dieser Elektronen entfernen würde. Während die verbleibenden Elektronen des Gitters miteinander interagierten, schwebte das Loch, in dem sich das fehlende Elektron befunden hatte, um das Gitter herum.
In Nagaokas Szenario wäre die Gesamtenergie des Gitters am niedrigsten, wenn alle Elektronenspins ausgerichtet wären. Jede Elektronenkonfiguration würde gleich aussehen – als wären die Elektronen identische Kacheln in den langweiligsten der Welt Schiebepuzzle. Diese parallelen Spins würden wiederum das Material ferromagnetisch machen.
Wenn zwei Gitter mit einer Drehung ein Muster erzeugen
İmamoğlu und seine Kollegen ahnten, dass sie Nagaoka-Magnetismus erzeugen könnten, indem sie mit einschichtigen Atomschichten experimentierten, die zu einem komplizierten Moiré-Muster (ausgesprochen: mwah-ray). In atomar dünnen, geschichteten Materialien können Moiré-Muster das Verhalten der Elektronen – und damit der Materialien – radikal verändern. So zum Beispiel im Jahr 2018 der Physiker Pablo Jarillo-Herrero und seine Kollegen gezeigt dass zweischichtige Graphenstapel die Fähigkeit zur Supraleitung erlangten, wenn sie die beiden Schichten durch eine Drehung versetzten.
Moiré-Materialien haben sich seitdem zu einem überzeugenden neuen System zur Untersuchung des Magnetismus entwickelt, das neben Wolken aus unterkühlten Atomen und komplexen Materialien wie Kupraten eingesetzt wird. „Moiré-Materialien bieten uns im Grunde einen Spielplatz für die Synthese und Untersuchung von Vielteilchenzuständen von Elektronen“, sagte İmamoğlu.
Die Forscher begannen mit der Synthese eines Materials aus Monoschichten der Halbleiter Molybdändiselenid und Wolframdisulfid, die zu einer Materialklasse gehören, die vergangene Simulationen hatte angedeutet, dass er Magnetismus im Nagaoka-Stil aufweisen könnte. Anschließend legten sie schwache Magnetfelder unterschiedlicher Stärke an das Moiré-Material an und verfolgten dabei, wie viele Elektronenspins des Materials sich an den Feldern ausrichteten.
Anschließend wiederholten die Forscher diese Messungen, während sie unterschiedliche Spannungen an das Material anlegten, was die Anzahl der Elektronen im Moiré-Gitter veränderte. Sie fanden etwas Seltsames. Das Material neigte nur dann eher dazu, sich an ein äußeres Magnetfeld anzupassen, sich also ferromagnetischer zu verhalten, als es bis zu 50 Prozent mehr Elektronen hatte, als es Gitterplätze gab. Und wenn das Gitter weniger Elektronen als Gitterplätze hatte, sahen die Forscher keine Anzeichen von Ferromagnetismus. Dies war das Gegenteil von dem, was sie erwartet hätten, wenn der standardmäßige Nagaoka-Ferromagnetismus am Werk gewesen wäre.
Obwohl das Material magnetisch war, schien es nicht durch Austauschwechselwirkungen angetrieben zu werden. Aber auch die einfachsten Versionen von Nagaokas Theorie erklärten seine magnetischen Eigenschaften nicht vollständig.
Wenn Ihre Sachen magnetisiert werden und Sie etwas überrascht sind
Letztlich kam es auf die Bewegung an. Elektronen verringern ihre kinetische Energie, indem sie sich im Raum ausbreiten, was dazu führen kann, dass sich die Wellenfunktion, die den Quantenzustand eines Elektrons beschreibt, mit denen seiner Nachbarn überlappt und so deren Schicksale miteinander verbindet. Sobald im Material des Teams mehr Elektronen im Moiré-Gitter vorhanden waren als Gitterplätze vorhanden waren, nahm die Energie des Materials ab, als die zusätzlichen Elektronen sich delokalisierten, wie Nebel, der über eine Broadway-Bühne gepumpt wurde. Anschließend paarten sie sich flüchtig mit Elektronen im Gitter und bildeten Zwei-Elektronen-Kombinationen, sogenannte Doublonen.
Diese umherwandernden zusätzlichen Elektronen und die Dublonen, die sie immer wieder bildeten, konnten nicht delokalisieren und sich innerhalb des Gitters ausbreiten, es sei denn, die Elektronen in den umgebenden Gitterplätzen hätten alle ausgerichtete Spins. Als das Material unermüdlich seinen Zustand mit der niedrigsten Energie anstrebte, war das Endergebnis, dass Dublonen dazu neigten, kleine, lokalisierte ferromagnetische Regionen zu erzeugen. Bis zu einem bestimmten Schwellenwert gilt: Je mehr Dublonen durch ein Gitter fließen, desto nachweisbarer wird das Material ferromagnetisch.