Danske forskere er i front med en model til at beregne, hvilken temperatur magnetisme i 2D-materialer kræver. Nu arbejder de på at udvikle en teori til at vurdere magnetisme i metalliske 2D-materialer.
I 2017 lykkedes det en gruppe amerikanske og kinesiske forskere at måle magnetisme i et 2D-materiale. Det skete ved meget lave temperaturer, 45 kelvin eller minus 230 grader celsius. Umiddelbart lyder det måske ikke så imponerende, men siden 1960’erne har der i fysikkens verden været en gængs forståelse af, at magnetisme ikke kan eksistere i 2D-materialer, så derfor vakte målingen stor international opsigt. Et 2D-materiale består af et enkelt lag, blot et atom tykt – eller tyndt, skulle man måske snarere sige.
Det nye fund har skabt interesse for at få større viden om magnetisme i 2D-materialer. Lektor Thomas Olsen og hans forskergruppe på DTU Fysik har fået flere store bevillinger til dette arbejde, bl.a. fra Villum Fonden og Danmarks Frie Forskningsfond. På den baggrund har de udviklet en model, der kan anvendes til at afgøre, ved hvilken temperatur forskellige 2D-materialer er magnetiske.
”Det optimale vil naturligvis være at finde et materiale, der er magnetisk ved almindelig stuetemperatur. Dermed kan materialet på sigt blive interessant at anvende eksempelvis i elektronik. Det er dog ikke lykkedes endnu,” siger Thomas Olsen.
Model inddrager 3 parametre i et materiale
Thomas Olsen har taget udgangspunkt i resultaterne fra i alt 3-4 forskellige 2D-materialer, der ved eksperimenter har vist sig at være magnetiske. Disse resultater har han brugt til at validere den model, han har udviklet, og som gør det muligt at bruge supercomputere til at beregne 2D-materialers magnetisme.
”Vi har kunnet identificere tre parametre ved et materiale, der er nødvendige for at afgøre, ved hvilken temperatur et 2D-materiale er magnetisk. De tre parametre indgår i en formel eller model, som vi kan bruge til beregningerne. På den måde er det praktisk muligt at gennemføre beregningerne på et par dage på en supercomputer. Men bag modellen ligger mange store beregninger, såkaldte Monte Carlo-simuleringer, som vi har udledt formlen fra – og som hver især er betydelig mere tidskrævende at gennemføre,” siger Thomas Olsen.
Potentialet er størst blandt metalliske materialer
Indtil videre har Thomas Olsen og hans forskningsteam gennemgået en eksperimentel database over flere tusinde materialer for at identificere, hvilke af disse, der har 2D komponenter og er magnetiske. Det fik bragt mængden ned til i alt 89 materialer.
”Vores første skridt har været at bruge vores model til at undersøge de materialer, der ikke er metalliske. Det er vi næsten færdige med, men vi har endnu kun fundet materialer, der er magnetiske ved meget lave temperaturer,” siger Thomas Olsen.
Forskerens næste skridt er at udvikle en model eller teori, der også kan anvendes til den sidste gruppe af 2D-materialerne, der er metalliske.
”Vi tror, potentialet er større for at finde et materiale, der er magnetisk ved stuetemperatur i denne gruppe. Men til gengæld har vi ikke teorien til at kunne undersøge det, da vores nuværende model ikke kan anvendes for metaller. Den teori skal jeg og min forskergruppe i gang med at udvikle i de kommende år,” siger Thomas Olsen.
Stadig nye opdagelser
At arbejde med magnetisme i 2D-materialer har måske en særlig betydning i år, hvor vi fejrer 200-året for Ørsteds opdagelse af elektromagnetismen.
”Det er jo interessant, at man stadig finder nye områder inden for fysikken, hvor magnetisme endnu ikke er ordenligt forstået. Således også i 2D-materialer, selvom vores viden på dette område endnu er begrænset,” siger Thomas Olsen.