Las transiciones de fase juegan un papel importante en los materiales. Sin embargo, en materiales bidimensionales, el más famoso de los cuales es el grafeno, las transiciones de fase pueden ser muy difíciles de estudiar. Investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft y la Universidad de Valencia han desarrollado un nuevo método que ayuda a resolver este problema. Suspendieron capas ultrafinas de materiales 2-D sobre una cavidad y rastrearon la frecuencia de resonancia de las membranas resultantes utilizando láseres. Los resultados de su trabajo han sido publicados en Comunicaciones de la naturaleza .

Desde el descubrimiento de las excepcionales propiedades eléctricas y mecánicas del grafeno, el primer material bidimensional (2-D) de la historia, las capas con espesores de un solo átomo están atrayendo el interés científico. Surgen nuevas funcionalidades y fenómenos con los recientes descubrimientos de tipos únicos de fases magnéticas y electrónicas en estas capas, incluyendo superconductores, ondas de densidad de carga, 2-D Ising fases antiferromagnéticas y ferromagnéticas. Las transiciones de fase juegan un papel importante en los materiales:por ejemplo, el agua es un líquido a temperatura ambiente y se congela por debajo de cero grados centígrados, formando un material con propiedades completamente diferentes.

Movimiento resonante

En muestras grandes, hay varias técnicas para medir estas transiciones de fase, por ejemplo, midiendo el calor específico que puede mostrar cambios abruptos en la transición de fase. Sin embargo, sólo se dispone de unos pocos métodos para estudiar estas transiciones en muestras atómicamente delgadas con una masa de menos de un picogramo. Esto es particularmente desafiante para los antiferromagnetos aislantes ultrafinos que solo se acoplan débilmente a las sondas magnéticas y electrónicas.

Los investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft han demostrado ahora que estas fases se pueden estudiar observando el movimiento resonante de las membranas hechas de estos materiales bidimensionales. Estas membranas se pueden formar suspendiendo un cristal ultrafino sobre una cavidad en un sustrato, creando así un tambor a nanoescala. "Seguimos la frecuencia de resonancia mecánica de estas membranas utilizando un láser rojo mientras las ponemos en movimiento a frecuencias de MHz mediante un láser azul de potencia modulada", El investigador Makars Šiškins explica

Expansión repentina

Cuando los investigadores enfriaron las membranas de FePS ₃ , NiPS ₃ y MnPS ₃ , observaron un cambio repentino en su frecuencia de resonancia. Šiškins:"Curiosamente, este cambio coincide con la temperatura a la que estos materiales ordenan sus espines magnéticos de forma antiferromagnética. "La correlación entre el cambio en la frecuencia de resonancia y el orden magnético en la temperatura de transición de fase es consecuencia de la expansión repentina que se produce cuando aumenta el desorden magnético, similar a la transición de fase de líquido a gas. Esta expansión hace que disminuya la tensión mecánica en la membrana, que resulta en una reducción en la frecuencia de resonancia, como en una cuerda de guitarra.

El nuevo concepto de medición es aplicable a una amplia variedad de sistemas de membranas delgadas con diferentes transiciones de fase, como demuestran los investigadores al observar el orden de las ondas de densidad de carga en TaS ₂ . "Por esta razón, creemos que nuestro concepto tiene potencial para ser aplicado al estudio de una amplia gama de materiales:ferroimanes 2-D, láminas delgadas de óxido complejo 2-D y antiferromagnetos orgánicos ", Šiškins dice. "Esperamos que esto conduzca a una mejor comprensión de la termodinámica y los mecanismos de pedido en materiales bidimensionales".