Een ultradunne laag rutheniumdioxide (RuO2) van slechts 2 nanometer heeft onder roosterspanning een spinpatroon laten zien dat volgens onderzoekers wijst op intrinsieke magnetische ordening. Het materiaal geldt in massieve vorm doorgaans als niet-magnetisch, maar eerdere onderzoeken leverden tegenstrijdige resultaten op. Voor de studie, gepubliceerd in Science Advances, groeide het team atomair gladde, volledig gespannen films op substraten op basis van titaniumdioxide. Met spectroscopie die zowel impuls als spin onderscheidt, onderzochten de wetenschappers het gedrag van de elektronen. De metingen vonden plaats rond 15 kelvin, waardoor het gedrag bij kamertemperatuur onzeker blijft.
- De onderzochte lagen rutheniumdioxide waren 2 nanometer dik en stonden volledig onder epitaxiale spanning.
- De gemeten spinpatronen konden volgens het team niet worden verklaard door bekende meetartefacten of de niet-magnetische polaire structuur.
- De resultaten passen bij zwak ferromagnetisme of altermagnetisme, maar maken nog geen onderscheid tussen beide.
- Alle metingen werden uitgevoerd rond 15 kelvin, ongeveer -258 graden Celsius.
In de dunste films verschijnt een afwijkend spinpatroon
Epitaxiale spanning ontstaat wanneer een dunne kristallaag zich aanpast aan de atoomstructuur van het materiaal waarop zij wordt aangebracht. Daardoor kan het kristalrooster enigszins worden uitgerekt of samengedrukt. Zo’n vervorming kan de elektronische eigenschappen van een materiaal veranderen, zonder dat de chemische samenstelling hoeft te worden aangepast.
De onderzoekers gebruikten spin- en hoekopgeloste foto-emissiespectroscopie om tegelijk de energie, impuls en spin van elektronen te meten. Ze werkten met twee meetgeometrieën om eigenschappen van het materiaal te onderscheiden van mogelijke effecten van de meetopstelling. Daarnaast controleerden ze met röntgen- en optische metingen de structuur en symmetrie van de films.
De elektronen bleken een ongebruikelijk, van hun impuls afhankelijk spinpatroon te vertonen dat volgens de symmetrieanalyse niet uit een niet-magnetische oorsprong kon voortkomen.
Daarmee levert het experiment aanwijzingen voor magnetische ordening in ultradun, gespannen RuO2. De gegevens zijn verenigbaar met zowel zwak ferromagnetisme als altermagnetisme. De studie stelt dus niet definitief vast welke magnetische toestand aanwezig is.
De uitkomst voegt een nieuwe laag toe aan het RuO2-debat
Rutheniumdioxide wordt gebruikt als metallische geleider, kwantummateriaal en industriële elektrokatalysator. Over zijn magnetische eigenschappen bestaat echter discussie. Sommige eerdere studies brachten het materiaal in verband met magnetische ordening, afwijkende Hall-effecten en efficiënte omzetting tussen spin en elektrische lading. Later onderzoek vond juist geen magnetische ordening in massieve kristallen of dikkere, ontspannen films.
Ook was eerder tot een laagdikte van 5 nanometer geen altermagnetisch gedrag vastgesteld. Het volledig gespannen gebied onder ongeveer 4 nanometer was echter nog niet rechtstreeks onderzocht met een methode die zowel impuls als spin kan onderscheiden.
Een altermagneet heeft een magnetische ordening, maar weinig of geen totale magnetisatie. Dat onderscheid is van belang omdat materialen met zo’n interne spinstructuur bruikbaar kunnen zijn zonder zich precies als conventionele ferromagneten te gedragen.
De nieuwe resultaten betekenen vooral dat de dikte en de spanning van het kristalrooster mogelijk bepalen welk magnetisch gedrag zichtbaar wordt in rutheniumdioxide.
Kamertemperatuur en de precieze magneetorde blijven open
De lage meettemperatuur vormt de belangrijkste beperking. Uit het experiment kan niet worden afgeleid of hetzelfde spinpatroon bij kamertemperatuur behouden blijft. Vervolgonderzoek zal bovendien moeten uitwijzen of het om zwak ferromagnetisme, altermagnetisme of een andere magnetische toestand gaat en in hoeverre die toestand regelbaar is.
Als dat lukt, zou roosterspanning als een soort regelknop kunnen dienen voor nieuwe elektronische en magnetische toestanden. Volgens de studie kan gespannen RuO2 dan mogelijk een basis vormen voor energiezuinige spintronische onderdelen, die informatie verwerken via de spin van elektronen. Mogelijke toepassingen liggen bij sensoren, geheugen en andere apparaten zonder afhankelijkheid van conventionele ferromagneten. Dat is vooralsnog een toekomstscenario, geen gedemonstreerde toepassing.
Ziet u roosterspanning als een kansrijke route naar spintronica, of is bewijs bij kamertemperatuur eerst doorslaggevend? Deel uw visie.
