Efek Kuantum membuat Magnet Sangat Licin
Bahan dua dimensi biasanya diperoleh dengan mencukur irisan tipis atom dari sampel bahan curah. Dalam graphene, bentuk karbon 2D yang merupakan bahan pertama yang diisolasi menggunakan metode ini, gesekan antara lapisan yang berdekatan sangat rendah karena mereka terikat bersama oleh gaya van der Waals yang lemah, dan oleh karena itu meluncur melewati satu sama lain seperti kartu remi mengipasi keluar di dek.
Untuk magnetena, bahan curahnya adalah magnetit, suatu bentuk oksida besi dengan rumus kimia Fe₃O₄ yang ada sebagai kisi 3D dalam bijih alam. Namun, ikatan antar lapisan jauh lebih kuat di magnetena daripada di graphene, jadi sifat gesekan rendahnya yang sama adalah sedikit misteri.
Bukan hanya lapisan geser
Dalam karya baru, yang diterbitkan di Science Advances , penulis utama Peter Serles, bersama dengan rekan yang dipimpin oleh Tobin Filleter, Chandra Veer Singh dan Shwetank Yadav, memperoleh sampel magnetena 2D dengan memperlakukan magnetit dengan gelombang suara frekuensi tinggi. Pendekatan ini memisahkan beberapa sampel lapisan magnetena dari bahan curah. Tim kemudian mengukur gesekan antara lembaran menggunakan probe mikroskop kekuatan atom.
Yang mengejutkan, para peneliti menemukan bahwa gesekan antara ujung probe AFM dan lapisan magnetena paling atas sama rendahnya dengan graphene. Oleh karena itu mereka curiga bahwa sesuatu selain geser lapisan sedang bermain. “Ketika Anda beralih dari materi 3D ke materi 2D, banyak hal yang tidak biasa mulai terjadi karena efek fisika kuantum,” jelas Serles. “Tergantung pada sudut mana Anda memotong irisan, itu bisa sangat halus atau sangat kasar. Atom-atom tidak lagi dibatasi dalam dimensi ketiga itu, sehingga mereka dapat bergetar dengan cara yang berbeda. Dan struktur elektron juga berubah. Kami menemukan bahwa semua ini bersama-sama mempengaruhi gesekan.”
Untuk mengkonfirmasi pentingnya fenomena kuantum ini, yang mencakup modifikasi pada kerapatan muatan atom besi dan munculnya mode fonon redaman rendah yang unik (getaran kisi kristal) yang "dilarang" untuk sistem klasik, tim membandingkan eksperimen mereka hasil simulasi teori fungsi kepadatan tentang bagaimana probe meluncur di atas material 2D. Mereka menemukan bahwa model yang menyertakan efek kuantum paling baik memprediksi temuan eksperimental mereka.
Bahan gesekan ultra-rendah baru
Pekerjaan itu dapat membantu para ilmuwan dan insinyur merancang bahan gesekan ultra-rendah baru di masa depan. Bahan tersebut dapat berguna sebagai pelumas dalam aplikasi skala kecil seperti perangkat implan, kata para peneliti. “Ketika Anda berurusan dengan bagian-bagian kecil yang bergerak, rasio luas permukaan terhadap massa sangat tinggi,” Filleter menjelaskan. “Itu berarti segala sesuatunya lebih mungkin macet. Apa yang kami tunjukkan dalam karya ini adalah bahwa justru karena skalanya yang kecil, material 2D ini memiliki gesekan yang sangat rendah. Efek kuantum ini tidak akan berlaku untuk material 3D yang lebih besar.”
Para peneliti mengatakan mereka sekarang ingin lebih memahami peran efek kuantum, karena perilaku gesekan rendah yang sama belum diamati pada oksida besi magnetik 2D yang baru saja disintesis seperti hematena (Fe₂O₃) atau chromiteen (FeCr₂O₄).