Inginerii au descoperit o legătură neașteptată între două domenii foarte diferite ale fizicii: comportamentul electronilor în grafen și undele magnetice în materiale special concepute. Prin proiectarea unei pelicule magnetice subțiri cu un model hexagonal de găuri - similar cu structura grafenului - cercetătorii au demonstrat că "undele de spin" magnetice pot urma aceleași reguli matematice ca și electronii neobișnuiți ai grafenului. Suprapunerea surprinzătoare dezvăluie o conexiune mai profundă între sistemele electronice și magnetice și oferă oamenilor de știință o modalitate nouă și puternică de a studia materialele magnetice complexe.
Materialele bidimensionale au atras un interes intens, deoarece proprietățile lor electronice și magnetice ar putea alimenta tehnologiile viitoare. Oamenii de știință au tratat în mod tradițional aceste două comportamente ca fiind separate. Inginerii de la Illinois Grainger Engineering au demonstrat acum că acestea sunt conectate de aceeași matematică de bază.
Într-un studiu publicat în Physical Review X, cercetătorii de la The Grainger College of Engineering de la Universitatea Illinois Urbana Champaign au demonstrat modul în care sistemele magnetice bidimensionale special concepute pot urma aceleași ecuații care descriu electronii mobili în grafen. Această conexiune matematică ar putea influența proiectarea dispozitivelor de radiofrecvență și, de asemenea, ar putea oferi cercetătorilor o modalitate nouă și puternică de a analiza și proiecta aceste materiale.
"Nu este deloc evident că există o analogie între electronica 2D și comportamentele magnetice 2D și suntem încă uimiți de cât de bine funcționează această analogie", a spus Bobby Kaman, autorul principal al studiului. "Electronica 2D este foarte bine studiată datorită descoperirii grafenului, iar acum am demonstrat că o clasă de materiale nu atât de bine studiată respectă aceeași fizică fundamentală."
Conceptul a crescut din activitatea lui Kaman cu metamaterialele. Aceste materiale sunt proiectate astfel încât structura lor la scară mai mare să producă comportamente care nu ar apărea în mod normal în aranjamentul atomic natural al materialului. Kaman, un student absolvent în știința materialelor și inginerie care lucrează în grupul de cercetare al profesorului Axel Hoffmann, și-a dat seama că atât electronii grafenului, cât și excitațiile magnetice microscopice din așa-numitele materiale magnonice se comportă ca niște unde. Această similitudine a ridicat o posibilitate intrigantă. Poate că un sistem magnetic ar putea fi proiectat astfel încât să se comporte matematic ca grafenul.
"Grafenul este unic, deoarece electronii săi de conducție se organizează în unde fără masă, așa că eram curios dacă modificarea geometriei fizice a unui material magnonic pentru a arăta ca grafenul îl va face să acționeze ca grafenul", a spus Kaman. "M-am gândit că ar putea avea o mână de proprietăți similare cu grafenul, dar analogia a fost mult mai profundă și mai bogată decât mă așteptam."
Pentru a explora ideea, cercetătorii au modelat o peliculă magnetică subțire care conține găuri minuscule dispuse într-un model hexagonal. În interiorul acestei structuri, momentele magnetice microscopice, cunoscute sub numele de "spini", interacționează și produc perturbații de deplasare numite unde de spin. Când echipa a calculat energiile acestor unde de spin, au descoperit că comportamentul lor matematic se potrivește îndeaproape cu cel al electronilor care se deplasează prin grafen.
Sistemul s-a dovedit a fi și mai complex decât se aștepta. În loc de o simplă analogie unu la unu, cercetătorii au identificat nouă benzi de energie distincte. Aceste benzi permit apariția simultană a mai multor tipuri de comportamente. Printre ele se numără undele de spin fără masă, similare cu undele de electroni ale grafenului, precum și benzile de dispersie joasă asociate cu stările localizate și chiar efecte topologice care se întind pe mai multe benzi.
"Ceea ce face remarcabilă lucrarea lui Bobby este că face o legătură directă între un sistem de spin proiectat și un model fizic fundamental", a spus Hoffmann. "Cristalele magnonice sunt notorii pentru producerea unei varietăți copleșitoare de fenomene dependente de structură și geometrie, majoritatea catalogate fără a fi cu adevărat înțelese. Analogia grafenului în acest sistem oferă o explicație clară pentru comportamentele observate."
Echipa consideră că sistemul poate fi util în tehnologia cu microunde utilizată în comunicațiile fără fir și celulare.
"Un astfel de dispozitiv este un 'circulator de microunde' care permite propagarea semnalelor radio cu microunde doar într-o singură direcție", a explicat Hoffmann. "De obicei sunt voluminoase, dar sistemul magnonic pe care l-am studiat ar putea permite miniaturizarea dispozitivelor cu microunde la scara micrometrilor."
Grupul de cercetare al lui Hoffmann a depus deja o cerere de brevet care acoperă conceptele lor de dispozitive cu microunde.
Jinho Lim și Yingkai Liu au contribuit, de asemenea, la cercetare. Sprijinul pentru lucrare a fost asigurat de Centrul de Știință și Inginerie a Materialelor Illinois prin intermediul Fundației Naționale de Știință. Axel Hoffmann este profesor de știința materialelor și inginerie la Illinois Grainger Engineering în cadrul Departamentului de Știința și Ingineria Materialelor. El este, de asemenea, afiliat cu Laboratorul de Cercetare a Materialelor și deține o funcție de profesor fondator.