“De reden dat we magnetisme in ons dagelijks leven hebben, is de kracht van de elektronenuitwisselingsinteractie”, zegt co-auteur Ataç İmamoğlu, een natuurkundige ook aan het Institute of Quantum Electronics.
Maar zoals Nagaoka in de jaren zestig theoretiseerde, zijn uitwisselingsinteracties misschien niet de enige manier om een materiaal magnetisch te maken. Nagaoka stelde zich een vierkant, tweedimensionaal rooster voor waarin elke roosterplaats slechts één elektron heeft. Vervolgens berekende hij wat er zou gebeuren als je onder bepaalde omstandigheden een van die elektronen zou verwijderen. Terwijl de resterende roosterelektronen op elkaar inwerkten, zou het gat met het ontbrekende elektron rond het rooster glijden.
In het scenario van Nagaoka zou de totale energie van het rooster het laagst zijn als alle elektronenspins op één lijn zouden liggen. Elke elektronenconfiguratie zou er hetzelfde uitzien – alsof de elektronen identieke tegels waren in ‘s werelds saaiste schuiftegelpuzzel. Deze parallelle spins zouden op hun beurt het materiaal ferromagnetisch maken.
Wanneer twee mazen met een twist een patroon vormen
İmamoğlu en zijn collega’s hadden het idee dat ze Nagaoka-magnetisme konden creëren door te experimenteren met monolagen van atomen die op elkaar konden worden gestapeld om een ingewikkeld moiré-patroon te vormen (uitgesproken als mwah-ray). In atomair dunne, gelaagde materialen kunnen moirépatronen de manier waarop elektronen (en dus de materialen) zich gedragen radicaal veranderen. In 2018 hebben natuurkundige Pablo Jarillo-Herrero en zijn collega’s bijvoorbeeld aangetoond dat dubbellagen van grafeen supergeleiding kregen toen ze de twee lagen omdraaiden.
Moiré-materialen zijn sindsdien naar voren gekomen als een aantrekkelijk nieuw systeem om magnetisme te bestuderen, gerangschikt naast wolken van onderkoelde atomen en complexe materialen zoals cuprates. “Moiré-materialen bieden ons een speeltuin voor, in principe, de synthese en studie van elektronentoestanden in veel lichamen”, zei İmamoğlu.
De onderzoekers begonnen met het synthetiseren van het materiaal uit monolagen van de halfgeleiders molybdeendiselenide en wolfraamdisulfide, die behoren tot een klasse materialen waarvan eerdere simulaties aangaven dat ze magnetisme in Nagaoka-stijl zouden kunnen vertonen. Vervolgens pasten ze zwakke magnetische velden van verschillende sterkte toe op het moiré-materiaal, terwijl ze volgden hoeveel elektronen van het materiaal op één lijn lagen met de velden.
De onderzoekers herhaalden deze metingen vervolgens door verschillende spanningen op het materiaal aan te brengen, waardoor het aantal elektronen in het moirérooster veranderde. Ze hebben iets vreemds gevonden. Het materiaal was alleen meer geneigd om zich aan te passen aan een extern magnetisch veld – dat wil zeggen om zich ferromagnetischer te gedragen – als het tot 50 procent meer elektronen had dan er roosterlocaties waren. En toen het rooster minder elektronen had dan roosterlocaties, zagen de onderzoekers geen tekenen van ferromagnetisme. Dit was het tegenovergestelde van wat ze zouden verwachten als het standaardprobleem van het Nagaoka-ferromagnetisme aan het werk zou zijn.
Hoe magnetiserend het materiaal ook was, het leek niet te worden veroorzaakt door uitwisselingsinteracties. Maar zelfs de eenvoudigste versies van Nagaoka’s theorie verklaarden de magnetische eigenschappen ervan niet volledig.
Wanneer dingen aan je worden gemagnetiseerd en je een beetje verrast bent
Uiteindelijk kwam het op beweging aan. Elektronen verlagen hun kinetische energie door zich in de ruimte te verspreiden, wat ertoe kan leiden dat de golffunctie die de kwantumtoestand van één elektron beschrijft, overlapt met die van zijn buren, waardoor hun lot aan elkaar wordt gebonden. In het materiaal van het team, toen er meer elektronen in het moirérooster zaten dan er roosterlocaties waren, daalde de energie van het materiaal naarmate de extra elektronen delokaliseerden zoals mist die over een Broadway-podium wordt gepompt. Vervolgens paren ze kort met elektronen in het rooster om twee-elektronencombinaties te vormen die dubloenen worden genoemd.
Deze ronddwalende extra elektronen, en de dubloenen die ze bleven vormen, konden niet worden gedelokaliseerd en zich binnen het rooster verspreiden tenzij alle elektronen in de omringende roosterplaatsen dezelfde spins hadden. Terwijl het materiaal meedogenloos naar zijn laagste energietoestand trok, was het eindresultaat dat de dubloenen de neiging hadden kleine, plaatselijke ferromagnetische gebieden te creëren. Tot een bepaalde drempel geldt: hoe meer dubloenen door het rooster gaan, hoe ferromagnetischer het materiaal wordt.