Puede que no parezca que un material tan delgado como un átomo pueda ocultar sorpresas, pero un equipo de investigación dirigido por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía Berkeley Lab descubrió una propiedad magnética inesperada en un material bidimensional.
Los científicos descubrieron que un cristal 2-D van der Waals, parte de una clase de material cuyas capas atómicamente delgadas se pueden despegar una por una con cinta adhesiva, poseía un ferromagnetismo intrínseco.
El descubrimiento, que se publicará el 26 de abril en la revista Naturaleza , podría tener implicaciones importantes para una amplia gama de aplicaciones que dependen de materiales ferromagnéticos, como memoria a nanoescala, dispositivos espintrónicos y sensores magnéticos.
"Este es un descubrimiento emocionante", dijo el investigador principal del estudio, Xiang Zhang, científico principal de la División de Ciencias de los Materiales del Laboratorio Berkeley y profesor de la Universidad de Berkeley de UC. "Este experimento presenta evidencia de una pistola de fumar para un átomo delgado y atómicamente plano"imán, lo que sorprendió a muchas personas. Abre la puerta para explorar la física fundamental del espín y las aplicaciones espintrónicas en pequeñas dimensiones ".
El estudio aborda un problema de larga data en la física cuántica sobre si el magnetismo sobreviviría cuando los materiales se redujeran a dos dimensiones. Durante medio siglo, el teorema de Mermin-Wagner ha abordado esta pregunta al afirmar que si los materiales en 2-D carecen de magnetismoanisotropía, una alineación direccional de espines de electrones en el material, puede que no haya un orden magnético.
"Curiosamente, encontramos que la anisotropía magnética es una propiedad inherente en el material 2D que estudiamos, y debido a esta característica, pudimos detectar el ferromagnetismo intrínseco", dijo el autor principal del estudio, Cheng Gong, investigador postdoctoral enLaboratorio de Zhang
Las fuerzas de Van der Waals, nombradas en honor a un científico holandés, se refieren a las fuerzas de atracción intermoleculares que no surgen de los enlaces covalentes o iónicos típicos que mantienen las moléculas intactas. Estas fuerzas cuánticas son utilizadas por los geckos mientras se deslizan sin esfuerzo a lo largo de paredes y techos.
Los cristales de Van der Waals describen materiales en los que las capas 2-D no están conectadas entre sí a través de enlaces tradicionales, lo que les permite exfoliarse fácilmente con cinta adhesiva. La investigación sobre el grafeno, el material de van der Waals más conocido, obtuvo elPremio Nobel de física en 2010.
"Es como las páginas de un libro", dijo Gong. "Las páginas se pueden apilar una encima de la otra, pero las fuerzas que unen una página con otra son mucho más débiles que las fuerzas en el plano que mantienen una sola hoja intacta"
Gong estima que para este estudio, despegó más de 3.000 escamas de telururo de cromo germanio Cr2Ge2Te6 o CGT. Si bien la CGT ha existido como un material a granel durante décadas, los investigadores dicen que las escamas 2-D podrían representar un emocionantenueva familia de cristal 2-D van der Waals.
"CGT también es un semiconductor, y el ferromagnetismo es intrínseco", dijo el coautor principal Jing Xia, profesor asociado de física y astronomía de UC Irvine. "Eso lo hace más limpio para aplicaciones en memoria y espintrónica".
Los investigadores detectan la magnetización de materiales atómicamente delgados usando una técnica llamada efecto Kerr magnetoóptico. El método implica la detección súper sensible de la rotación de luz polarizada linealmente cuando interactúa con espines de electrones en el material.
La clave de uno de los hallazgos más sorprendentes del estudio es que la anisotropía magnética era muy pequeña en el material CGT. Eso permitió a los investigadores controlar fácilmente la temperatura a la que el material pierde su ferromagnetismo, conocido como la temperatura de transición o Curie.
"Este es un descubrimiento significativo", dijo Gong, "la gente cree que la temperatura de Curie es una propiedad inherente de un material magnético y no se puede cambiar. Nuestro estudio muestra que sí puede".
Los investigadores demostraron que podían controlar la temperatura de transición de la escama CGT usando campos magnéticos sorprendentemente pequeños de 0.3 tesla o menos.
"Las películas delgadas de metales como el hierro, el cobalto y el níquel, a diferencia de los materiales 2-D van der Waals, son estructuralmente imperfectas y susceptibles a diversas perturbaciones, lo que contribuye a una anisotropía espuria enorme e impredecible", dijo Gong. ", la CGT 2-D altamente cristalina y uniformemente plana, junto con su pequeña anisotropía intrínseca, permite que pequeños campos magnéticos externos diseñen eficazmente la anisotropía, permitiendo un control de campo magnético sin precedentes de las temperaturas de transición ferromagnética ".
Los autores del estudio también señalaron que una característica sorprendente de los cristales de van der Waals es que se pueden combinar fácilmente con materiales diferentes sin restricciones basadas en la compatibilidad estructural o química.
"Las oportunidades de combinar diferentes materiales para desarrollar nuevas funcionalidades son atractivas", dijo el coautor principal Steven Louie, científico principal de la Facultad de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y profesor de física de UC Berkeley ". Esto ofrece una gran cantidad de flexibilidad endiseño de estructuras artificiales para diversas aplicaciones magnetoeléctricas y magnetoópticas ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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