Дводимензионалните материјали долго време го привлекуваат вниманието на научниците поради нивните исклучителни електронски и магнетни својства, кои ветуваат дека ќе бидат основа за идни технологии. Традиционално, овие два типа на однесувања се третираа како посебни феномени. Сепак, инженери од Универзитетот Илиноис Урбана-Шампејн сега покажаа дека тие се поврзани со истата темелна математика.
Револуционерно откритие во Граинџер Инженеринг
Во студија објавена во престижното списание „Physical Review X“, истражувачи од Колеџот за инженеринг „Граинџер“ демонстрираа како специјално дизајнирани дводимензионални магнетни системи можат да ги следат истите равенки што ги опишуваат движечките електрони во графен. Оваа неочекувана математичка врска не само што може да влијае на дизајнот на радиофреквентни уреди, туку и да им обезбеди на истражувачите моќен нов начин за анализа и инженеринг на овие материјали.
„Воопшто не е очигледно дека постои аналогија помеѓу 2Д електроника и 2Д магнетни однесувања, и сè уште сме изненадени колку добро функционира оваа аналогија“, вели Боби Каман, водечки автор на студијата. „2Д електрониката е многу добро проучена благодарение на откривањето на графен, а сега покажавме дека класа на материјали што не е толку добро проучена ги почитува истите фундаментални физички закони.“
Од метаматеријали до магнетен графен
Концептот произлезе од работата на Каман со метаматеријали – материјали конструирани така што нивната поголема скала структура произведува однесувања што нормално не би се појавиле во природниот атомски распоред. Работејќи во истражувачката група на професорот Аксел Хофман, Каман сфатил дека и електроните на графен и микроскопските магнетни побудувања во т.н. магнонски материјали се однесуваат како бранови. Оваа сличност покрена интригантна можност: дали магнетен систем може да се дизајнира така што математички ќе се однесува како графен?
За да ја истражат идејата, истражувачите моделирале тенок магнетен филм со ситни дупки распоредени во хексагонален шаблон. Во оваа структура, микроскопските магнетни моменти, познати како „спинови“, меѓусебно дејствуваат и произведуваат патувачки нарушувања наречени спински бранови. Кога тимот ги пресметал енергиите на овие спински бранови, откриле дека нивното математичко однесување тесно се совпаѓа со она на електроните кои се движат низ графен.
Повеќеслојни импликации и примени
Системот се покажал дури и посложен од очекуваното. Наместо едноставна аналогија еден на еден, истражувачите идентификувале девет различни енергетски појаси. Овие појаси овозможуваат појава на неколку видови однесувања истовремено, вклучувајќи безмасни спински бранови слични на електронските бранови на графен, ниско-дисперзивни појаси поврзани со локализирани состојби, па дури и тополошки ефекти кои опфаќаат повеќе појаси.
„Она што ја прави работата на Боби извонредна е тоа што прави директна врска помеѓу инженерски спин систем и фундаментален физички модел“, објаснува Хофман. „Магнонските кристали се познати по тоа што произведуваат огромна разновидност на феномени зависни од структурата и геометријата, од кои повеќето се каталогизирани без навистина да бидат разбрани. Аналогијата со графен во овој систем дава јасно објаснување за набљудуваните однесувања.“
Освен нејзиното значење за основната физика, истражувањето би можело да има и практични примени. Тимот верува дека системот може да биде корисен во микробрановата технологија што се користи во безжичната и мобилната комуникација. Еден таков уред е „микробранов циркулатор“ кој дозволува микробранови радио сигнали да се шират само во една насока. Овие уреди обично се гломазни, но проучуваниот магнонски систем може да овозможи минијатуризација на микробрановите уреди до микрометриска скала. Истражувачката група на Хофман веќе поднесе барање за патент за нивните концепти за микробранови уреди.
