Magnetoopór bez granic

Mazhar Ali, student z Princeton University, przez pięć lat swojej uczelnianej kariery badał nadprzewodniki. Niedawno wziął na warsztat ditellurek wolframu (WTe2) i dokonał zdumiewającego odkrycia.

Ali poddał swoją próbkę działaniu pola magnetycznego. Miało to pozbawić ją ewentualnych właściwości nadprzewodzących. Zauważył wówczas, że oporność próbki zwiększyła się dwukrotnie. Zaintrygowany poprosił innego studenta, Juna Xionga, o pomoc w zmierzeniu magnetooporności WTe2. Kolejny eksperyment wykazał, że magnetooporność materiału – czyli zmiana oporności pod wpływem pola magnetycznego – wydaje się rosnąć bez końca. Nigdy wcześniej nie zaobserwowano takiego zjawiska.

W końcu młodzi uczeni poddali swoją próbkę działaniu pola magnetycznego o mocy 60 tesli. Zmierzona magnetooporność wynosiła wówczas 13 000 000 procent oporności początkowej. Ditellurek wolframu jest jak dotąd jedynym materiałem, w którym nie zauważono granicy wzrostu magnetooporności.

Odkrycie studentów z Princeton może mieć olbrzymie znaczenie m.in. dla przyszłości pamięci masowych. W urządzeniach takich jak dyski twarde wartości binarne (0 i 1) przechowywane w komórkach pamięci, są przełączane za pomocą pola magnetycznego. Im większa magnetooporność tym mniejsze pole magnetyczne jest wymagane do przełączenia. Obecnie w praktycznych zastosowaniach korzysta się z warstwowych materiałów wykazujących tzw. gigantyczną magnetooporność, czyli rezystancję rzędu 20 000 – 30 000 procent. Wcześniej odkryto też kolosalną magnetorezystancję, bliską 100 000 procent. Teraz wiemy, że istnieje magnetorezystancja rzędu 13 000 000 procent.

Studenci chcieli oczywiście dowiedzieć się, co dzieje się wewnątrz materiału, który badali. O pomoc poprosili Jinga Tao z Brookhaven National Laboratory. Jing to świetny specjalista od mikroskopów, a Brookhaven ma niesamowite możliwości. Jedną z nich jest możliwość mierzenia dyfrakcji w temperaturze 10 kelwinów. Niewiele osób na świecie potrafi to zrobić, a Jing jest właśnie taką osobą - mówi profesor Bob Cava, w którego laboratorium pracuje Mazhar Ali.

Badania pod mikroskopem elektronowym ujawniły, że w materiale znajdują się wolframowe dimery. To znaczne odstępstwo od standardowo spotykanej struktury ośmiościanu foremnego. Naukowcy spekulują, że brak punktu nasycenia i ciągły wzrost oporności wynika z niemal idealnej równowagi pomiędzy elektronami a dziurami. Dlatego też w WTe2 magnetorezystancja pojawia się tylko wówczas, gdy pole magnetyczne przyłożone jest w odpowiednim kierunku. To z kolei może być przydatne w skanerach, gdzie zastosowanie licznych urządzeń z WTe2 pozwoli np. na określenie pozycji pól magentycznych.

WTe2 magnetoopór ditellurek wolframu pole magnetyczne