Ilustración del efecto Kerr utilizado para detectar la magnetización a través de la rotación de la luz polarizada cuando interactúa con los giros de electrones en un material. Se muestran capas de telururo de cromo germanio (CGT). Las bolas naranjas representan átomos de telurio, el amarillo es el germanio, y el azul es cromo. Crédito:Zhenglu Li / Berkeley Lab
Puede que no parezca que un material tan delgado como un átomo podría esconder 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 de van der Waals 2-D, parte de una clase de material cuyas capas atómicamente delgadas se pueden despegar una a una con cinta adhesiva, poseía un ferromagnetismo intrínseco.
El descubrimiento, 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 la 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 facultad en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y profesor de UC Berkeley. "Este experimento presenta pruebas contundentes de un imán atómicamente delgado y atómicamente plano, lo que sorprendió a mucha gente. Abre la puerta para explorar la física fundamental del espín y las aplicaciones espintrónicas en dimensiones reducidas ".
El estudio aborda un problema de larga data en la física cuántica sobre si el magnetismo sobreviviría cuando los materiales se reduzcan a dos dimensiones. Durante medio siglo el teorema de Mermin-Wagner ha abordado esta cuestión al afirmar que si los materiales 2-D carecen de anisotropía magnética, una alineación direccional de espines de electrones en el material, puede que no haya un orden magnético.
"Curiosamente, Descubrimos que la anisotropía magnética es una propiedad inherente al material 2-D que estudiamos, y debido a esta característica, pudimos detectar el ferromagnetismo intrínseco, "dijo el autor principal del estudio, Cheng Gong, investigador postdoctoral en el laboratorio de Zhang.
El investigador postdoctoral Cheng Gong (derecha) y el científico senior de la facultad Xiang Zhang (de pie) obtienen escamas 2-D de telururo de cromo germanio (CGT) usando cinta adhesiva. Están informando del primer descubrimiento experimental de ferromagnetismo intrínseco en materiales 2-D de van der Waals. Crédito:Marilyn Chung / Berkeley Lab
Las fuerzas de van der Waals, el nombre de un científico holandés, se refiere a fuerzas de atracción intermoleculares que no surgen de los enlaces covalentes o iónicos típicos que mantienen intactas las moléculas. Estas fuerzas cuánticas son utilizadas por los geckos mientras corretean sin esfuerzo a lo largo de paredes y techos.
Los cristales de Van der Waals describen materiales en los que las capas bidimensionales no están conectadas entre sí a través de enlaces tradicionales, permitiendo que se exfolien fácilmente con cinta adhesiva. Investigación sobre grafeno, el material de van der Waals más conocido, ganó el Premio 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 a otra son mucho más débiles que las fuerzas en el plano que mantienen intacta una sola hoja ".
Gong estima que para este estudio, se quitó más de 3, 000 escamas de telururo de cromo germanio (Cr2Ge2Te6, o CGT). Si bien CGT ha existido como material a granel durante décadas, Los investigadores dicen que las escamas 2-D podrían representar una nueva y emocionante familia de cristales de van der Waals 2-D.
"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 utilizando una técnica llamada efecto Kerr magnetoóptico. El método implica la detección súper sensible de la rotación de la luz polarizada linealmente cuando interactúa con los giros de electrones en el material.
Se crean escamas progresivamente más delgadas de un material de van der Waals, que se muestra en el telururo de germanio y cromo (CGT), despegando repetidamente las capas con cinta adhesiva. Los investigadores de Berkeley Lab han descubierto el ferromagnetismo intrínseco en capas bidimensionales de este material. Crédito:Marilyn Chung / Berkeley Lab
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, conocida 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".
Los investigadores demostraron que podían controlar la temperatura de transición del copo de CGT utilizando campos magnéticos sorprendentemente pequeños de 0,3 tesla o menos.
"Películas delgadas de metales como el hierro, cobalto, y níquel, a diferencia de los materiales 2-D de van der Waals, son estructuralmente imperfectos y susceptibles a diversas perturbaciones, que contribuyen a una anisotropía espuria enorme e impredecible, "dijo Gong." En contraste, la CGT bidimensional 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 ferromagnéticas ".
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 la División de Ciencias de los Materiales de Berkeley Lab y profesor de física de UC Berkeley. "Esto ofrece una gran flexibilidad en el diseño de estructuras artificiales para diversas aplicaciones magnetoeléctricas y magnetoópticas".
