“Alasan utama mengapa kita memiliki magnetisme dalam kehidupan sehari-hari adalah karena kekuatan interaksi pertukaran elektron,” kata Ataç İmamoğlu, salah satu penulis penelitian dan fisikawan di Institute for Quantum Electronics.
Namun, seperti yang diteorikan oleh Nagaoka pada tahun 1960-an, interaksi pertukaran mungkin bukan satu-satunya cara untuk membuat bahan menjadi magnetik. Nagaoka membayangkan suatu kisi dua dimensi yang berbentuk persegi, di mana setiap situs pada kisi tersebut hanya memiliki satu elektron. Kemudian ia mencari tahu apa yang akan terjadi jika Anda menghapus salah satu elektron tersebut dalam kondisi tertentu. Ketika elektron-elektron yang tersisa berinteraksi, lubang tempat elektron yang hilang berada akan bergerak di sekitar kisi tersebut.
Dalam skenario Nagaoka, energi total kisi akan mencapai titik terendah ketika spin elektronnya selaras. Setiap konfigurasi elektron akan terlihat sama – seolah-olah elektron-elektron tersebut adalah ubin identik dalam teka-teki ubin geser yang paling membosankan di dunia. Spin-paralel ini, pada gilirannya, akan membuat bahan menjadi ferromagnetik.
Ketika Dua Kisi Dengan Putaran Membentuk Pola
İmamoğlu dan rekan-rekannya memiliki firasat bahwa mereka dapat menciptakan magnetisme Nagaoka dengan bereksperimen menggunakan lapisan atom tunggal yang dapat disusun bersama untuk membentuk pola moiré yang rumit. Dalam bahan berlapis atomik tipis, pola moiré dapat secara drastis mengubah perilaku elektron – dan dengan demikian bahan tersebut. Sebagai contoh, pada tahun 2018, fisikawan Pablo Jarillo-Herrero dan rekan-rekannya menunjukkan bahwa tumpukan dua lapisan graphene mendapatkan kemampuan superkonduktor ketika kedua lapisan tersebut digeser.
Ataç İmamoğlu dan rekan-rekannya curiga bahwa bahan yang baru mereka sintesis mungkin menunjukkan beberapa sifat magnetik aneh, tetapi mereka tidak tahu persis apa yang akan mereka temukan.
Materi moiré sejak itu muncul sebagai sistem baru yang menarik untuk mempelajari magnetisme, ditempatkan bersamaan dengan awan atom superdingin dan bahan kompleks seperti cuprat. “Moiré materials memberi kita kesempatan untuk, pada dasarnya, mensintesis dan mempelajari keadaan many-body elektron,” kata İmamoğlu.
Para peneliti mulai dengan mensintesis material dari lapisan tipis semikonduktor molibdenum diselenida dan tungsten disulfida, yang termasuk dalam kelas bahan yang simulasi sebelumnya telah menunjukkan dapat menunjukkan magnetisme gaya Nagaoka. Kemudian mereka menerapkan medan magnetik lemah dengan kekuatan yang bervariasi pada bahan moiré sambil melacak sejauh mana spin elektron bahan tersebut selaras dengan medan tersebut.
Para peneliti kemudian mengulang pengukuran ini sambil menerapkan tegangan yang berbeda pada bahan tersebut, yang mengubah jumlah elektron dalam kisi moiré. Mereka menemukan sesuatu yang aneh. Bahan tersebut cenderung lebih mudah selaras dengan medan magnetik eksternal – dengan kata lain, cenderung berperilaku lebih ferromagnetik – hanya ketika memiliki hingga 50 persen lebih banyak elektron daripada yang ada pada situs kisi. Dan ketika kisi tersebut memiliki lebih sedikit elektron daripada situs kisi, para peneliti tidak melihat tanda-tanda ferromagnetisme. Ini merupakan kebalikan dari apa yang mereka harapkan jika magnetisme ferromagnetik Nagaoka standar sedang beroperasi.
Namun, cara bahan tersebut menjadi magnetik, interaksi pertukaran tidak tampak mendorongnya. Tetapi versi paling sederhana dari teori Nagaoka juga tidak sepenuhnya menjelaskan sifat magnetiknya.
Ketika Benda Anda Terimagnetisasi dan Anda Sedikit Terkejut
Pada akhirnya, semuanya bergantung pada pergerakan. Elektron mengurangi energi kinetik mereka dengan menyebarkan diri di ruang, yang dapat menyebabkan fungsi gelombang yang menggambarkan keadaan kuantum satu elektron tumpang tindih dengan tetangganya, mengikat nasib mereka bersama. Dalam materi tim, begitu ada lebih banyak elektron dalam kisi moiré daripada situs kisi yang ada, energi bahan tersebut akan berkurang ketika elektron tambahan tersebut menyebar seperti kabut yang dipompa di atas panggung Broadway. Mereka kemudian sejenak berpasangan dengan elektron dalam kisi untuk membentuk kombinasi dua elektron yang disebut doublons.
Elektron tambahan yang berpindah-pindah ini, dan doublon yang terus terbentuk, tidak dapat menyebar dan tersebar dalam kisi kecuali elektron di situs kisi sekitarnya memiliki spin yang sejajar. Ketika bahan tersebut tanpa henti mengejar keadaan energi terendahnya, hasil akhirnya adalah doublon cenderung menciptakan wilayah ferromagnetik kecil dan terlokalisasi. Sampai batas tertentu, semakin banyak doublon yang bergerak melalui kisi, semakin terdeteksi ferromagnetiknya bahan tersebut.