En el nanomundo, el magnetismo ha demostrado ser realmente sorprendente. Solo unos pocos átomos de grosor, los materiales magnéticos 2D podrían ayudar a satisfacer las curiosidades de los científicos y cumplir los sueños de la electrónica posterior al silicio cada vez más pequeña. Un equipo de investigación internacional dirigido por PARK Je-Geun en el Center for Correlated Electron Systems, dentro del Instituto de Ciencias Básicas IBS, acaba de publicar un artículo de Perspective Review en Nature, que presenta los últimos logros y potenciales futuros de los materiales 2D van van Waals vdW magnéticos.eran desconocidos hasta hace 6 años y recientemente han atraído la atención mundial.
Los materiales VdW están hechos de pilas de capas ultrafinas unidas por enlaces débiles de van der Waals. El éxito del grafeno, el material estrella de vdW, estimuló a los científicos a buscar otros cristales 2D, donde las capas se pueden cambiar, agregar oeliminado para introducir nuevas propiedades físicas, como el magnetismo.
¿Cómo se vuelven magnéticos los materiales?
Puedes imaginar que cada electrón en un material actúa como una pequeña brújula con sus propios polos norte y sur. La orientación de estas "agujas de la brújula" determina la magnetización. Más específicamente, la magnetización surge del giro de los electrones momento magnético ydepende de la temperatura. Un ferromagnet, como un imán de nevera estándar, adquiere sus propiedades magnéticas por debajo de la temperatura de transición magnética Tc, temperatura de Curie, cuando todos los momentos magnéticos están alineados, todas las "agujas de la brújula" apuntan en la misma dirección. Otros materiales, en cambio, son antiferromagnéticos, lo que significa que debajo de la temperatura de transición en este caso llamada temperatura Neel, TN, las "agujas de la brújula" apuntan en la dirección opuesta. Para temperaturas superiores a Tc o TN, los momentos atómicos individuales no están alineados ylos materiales pierden sus propiedades magnéticas.
Sin embargo, la situación puede cambiar drásticamente al reducir los materiales a la escala nanométrica 2D. Una rebanada ultradelgada de un imán de nevera probablemente mostrará diferentes características del objeto completo. Esto se debe a que los materiales 2D son más sensibles a las fluctuaciones de temperatura, quepuede destruir el patrón de "agujas de brújula" bien alineadas. Por ejemplo, los imanes a granel convencionales, como el hierro y el níquel, tienen una Tc mucho más baja en 2D que en 3D. En otros casos, el magnetismo en 2D realmente depende del grosor: el triyoduro de cromo CrI3 es ferromagnético como monocapa, anti-ferromagnético como bicapa y de nuevo a ferromagnético como tricapa. Sin embargo, hay otros ejemplos, como el tritiohipofosfato de hierro FePS3, que mantiene su orden antiferromagnético intacto notablemente hastamonocapa
La clave para producir materiales magnéticos 2D es domar sus fluctuaciones de giro. Los materiales 2D con una dirección de giro preferida anisotropía magnética tienen más probabilidades de ser magnéticos. La anisotropía también se puede introducir artificialmente agregando defectos, dopantes magnéticos o jugando conla interacción entre el giro del electrón y el campo magnético generado por el movimiento del electrón alrededor del núcleo; sin embargo, todos estos son métodos técnicamente desafiantes.
Park lo explica con una analogía: "Es como supervisar a un grupo de niños inquietos y que se portan mal, donde cada niño representa una brújula atómica. Desea alinearlos, pero prefieren jugar. Es una tarea difícil, ya quecualquier maestra de kindergarten te lo diría. Necesitarías conocer con precisión los movimientos de cada uno de ellos en el tiempo y el espacio. Y para controlarlos, debes responder allí mismo, lo que es técnicamente muy difícil ".
¿Por qué los físicos están tan interesados en los materiales magnéticos 2D vdW?
Varias preguntas fundamentales se pueden responder gracias a los materiales vdW magnéticos 2D. En particular, los materiales vdW son el banco de pruebas para encontrar evidencia experimental de algunos modelos matemático-físicos que aún no se han resuelto. Estos modelos explican el comportamiento de transición magnética en relación con el espínEn particular, el modelo Ising describe giros "agujas de brújula" con restricciones para apuntar hacia arriba o hacia abajo, perpendiculares al plano. El modelo XY permite que los giros apunten en cualquier dirección del plano y, finalmente, en el modelo de Heisenberg,los giros son libres de apuntar en cualquier dirección x, y, z.
En 2016, los científicos del IBS del grupo del profesor Park encontraron la primera prueba experimental de la solución Onsager para el modelo Ising. Descubrieron que el Tc de FePS3 es 118 Kelvin, o menos 155 grados Celsius, tanto en 3D como en 2D. Sin embargo, elLos modelos XY y Heisenberg en 2D han encontrado más barreras experimentales, y aún carecen de una prueba después de 50 años.
"Mi interés en los materiales magnéticos 2D comenzó con la simple idea de: ¿Qué pasaría si ...? El descubrimiento del grafeno me llevó a preguntarme si podría introducir el magnetismo en materiales 2D similares al grafeno", explica Park. "Los físicos han heredadoel desafío de estudiar y explicar las propiedades físicas del mundo bidimensional. A pesar de su importancia académica y aplicabilidad, este campo está muy poco explorado ", agrega."
Los científicos también están interesados en explorar formas de controlar y manipular las propiedades magnéticas de estos materiales eléctrica, óptica y mecánicamente. Su delgadez los hace más susceptibles a los estímulos externos. Es una limitación, pero también puede ser un potencial. Por ejemplo, el magnetismo también puede ser inducido o ajustado por tensión, o arreglando las capas superpuestas en un patrón específico, conocido como el patrón de muaré.
¿Cuáles son las aplicaciones esperadas de los materiales magnéticos vdW?
Aunque varias preguntas fundamentales aún están esperando una respuesta. Se espera que el control y la modificación de los espines y las estructuras magnéticas de los electrones conduzcan a varias salidas deseables. Esta Revisión de Perspectiva de la Naturaleza enumera posibles direcciones de investigación para el futuro.
Una de las aplicaciones más buscadas es el uso de giros para almacenar y codificar información. Los giros controlados podrían reemplazar los platos actuales del disco duro e incluso convertirse en la clave de la computación cuántica. En particular, la espintrónica es el tema que apunta acontrole los giros de los electrones. Los materiales 2D son buenos candidatos ya que requerirían menos consumo de energía en comparación con sus contrapartes 3D. Una hipótesis interesante es almacenar la memoria a largo plazo en patrones de polos magnéticos orientados a espirales estables, llamados skyrmions, en materiales magnéticos.
Potencialmente, los materiales vdW podrían revelar algún estado exótico de la materia, como los líquidos de rotación cuántica: un estado hipotético de la materia caracterizado por "agujas de brújula" desordenadas incluso a temperaturas extremadamente bajas, y se espera que alberguen los esquivos fermiones de Majorana, partículas que han sidoteorizado, pero nunca antes se había visto.
Además, aunque la superconductividad y el magnetismo no se pueden acomodar fácilmente en el mismo material, jugar con las órdenes de los giros podría producir nuevos superconductores no convencionales.
Por último, aunque la lista de materiales vdW ha crecido muy rápidamente en los últimos años, hasta ahora se han descubierto menos de diez materiales magnéticos vdW, por lo que diseñar más materiales, especialmente materiales que se pueden usar a temperatura ambiente, también es unobjetivo importante de los físicos de la materia condensada.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Instituto de Ciencias Básicas . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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