Nature presenteert het allereerste ferromagnetische 2D-materiaal. Het bewijst tevens dat zulke materialen überhaupt bestaan, stellen Berkeley-onderzoekers Cheng Gong en Xiang Zhang.

Tot nu toe leek de kans dat ze bestonden niet zo groot. Al een halve eeuw voorspelt het Mermin-Wagnertheorema dat je de ferromagnetische eigenschappen van 3D-kristallen niet terugziet in een enkellaags 2D-plakje van hetzelfde materiaal. Alleen wanneer een zekere mate van magnetische anisotropie ingebakken zit in zo’n plakje, zou je ferromagnetisme mogen verwachten.

Naar nu blijkt, voldoet Cr₂Ge₂Te₆ oftewel chroomgermaniumtelluride aan deze voorwaarde. Net als koolstof vormt dit materiaal zogeheten vanderwaalskristallen, bestaande uit losse laagjes die niet covalent aan elkaar gebonden zijn en die je met een stukje plakband van het kristal af kunt pellen - met grafeen is het indertijd ook zo begonnen.

En bij lage temperaturen blijken die losse laagjes inderdaad ferromagnetisch. Het is zo weinig dat je het alleen kunt meten met zogeheten Kerr-microscopie, waarbij je een verdraaiing van de polarisatierichting van teruggekaatst licht registreert.

Heel verrassend is daarbij dat de zogeheten Curie-temperatuur, waarboven het ferromagnetisme wegvalt, instelbaar blijkt te zijn via een vrij zwak extern magnetisch veld. Bij 3D-kristallen van Cr₂Ge₂Te₆ ligt die temperatuur rond de 68 K, hoe sterk dat externe veld ook is. Maar bij tweelaags Cr₂Ge₂Te₆ loopt hij op van 28 to 44 K wanneer je de externe veldsterkte verhoogt van 0,065 naar 0,3 Tesla, en bij drielaags materiaal ga je dan van 35 naar 49 K. De onderzoekers voorspellen dat dit effect zal opduiken bij elk ferromagnetisch vanderwaalskristal dat in de toekomst nog wordt ontdekt.

Metingen aan écht enkellaags 2D Cr₂Ge₂Te₆ zijn overigens nog niet gedaan omdat één zo’n laagje nogal snel blijkt te degraderen.

bron: Berkeley Lab