当水冻结成冰或煮成水蒸气时，其属性在特定温度下发生剧烈变化。这些所谓的相变是理解材料的基础。但是，这种相变在纳米材料中是如何表现的呢？一组科学家现在对磁性纳米材料中相变的复杂特性提供了新的见解。他们的研究发现揭示了磁性和机械性之间的耦合，为超灵敏传感器铺平了道路。
科学家们来自代尔夫特理工大学（荷兰），与瓦伦西亚大学和新加坡国立大学的同事一起，研究了厚度仅为几个原子的二维纳米材料FePS₃。首次，他们开发了一种方法，以深入了解此类材料的高度复杂的相变。通过使用微小的悬浮FePS₃膜，团队在温度变化的过程中以高幅度振动材料。这揭示了材料在其相变温度附近的振动如何变化，以及其磁性特征。
“想象一下，一个有磁结构的鼓，激光光束就像鼓槌——持续让它振动，同时随着温度变化轻微改变节奏，”代尔夫特理工大学机械工程系副教授法尔博德·阿利贾尼解释道。“在温暖时，这个磁鼓是松的，它的磁自旋，即使粒子表现得像小磁铁的自然旋转，处于无序相。但一旦变冷，鼓就收紧，自旋快速摆入有序的模式。现在，想象在击鼓时，你慢慢地将温度从温暖变为寒冷。随着变化，你会注意到不仅鼓开始感到不同，而且这种变化并不是平滑（线性）的——它以复杂和不规则（非线性）的方式展开，影响其机械性能。”
研究人员基本上测量了这一相变过程中的非线性变化。通过使用纳米级鼓，他们能够检测这种突然转变发生的温度，并详细研究鼓的机械行为如何变化。“我们确定的相变温度约为-160°C，”马卡尔斯·希辛斯说道，他的博士研究工作为这项研究提供了灵感。“此外，我们发现温度变化引起的机械响应变化与材料的磁性和弹性特性是直接耦合的。”
这些膜对内部和外部力量都异常敏感。希辛斯补充道：“这种敏感性使它们成为理想的传感器候选者，能够检测到环境变化或材料内部应力的微小变化。”
团队计划将这种方法应用于揭示其他纳米材料中相变的秘密。共同作者赫尔瑞·范·德·赞特表示：“在我们的实验室，我们将研究是否可以使用纳米鼓检测所谓的自旋波。你可以将自旋波视为磁性材料中信息的载体，就像电子对于导电材料一样。” 阿利贾尼将专注于将这些发现转化为实用应用，比如改善传感器性能。“理解这些非线性过程为创新的纳米机械装置奠定了基础，包括超灵敏传感器，”他指出。
