Los materiales magnéticos forman la base de las tecnologías que desempeñan un papel cada vez más fundamental en nuestras vidas hoy en día, incluyendo detección y almacenamiento de datos en el disco duro. Pero a medida que nuestros sueños innovadores evocan deseos de dispositivos cada vez más pequeños y rápidos, los investigadores están buscando nuevos materiales magnéticos que sean más compactos, más eficiente y se puede controlar con precisión, métodos fiables.

Un equipo dirigido por la Universidad de Washington y el Instituto de Tecnología de Massachusetts ha descubierto por primera vez el magnetismo en el mundo 2-D de las monocapas. o materiales que están formados por una sola capa atómica. Los resultados, publicado el 8 de junio en la revista Naturaleza , demuestran que las propiedades magnéticas pueden existir incluso en el ámbito 2-D, lo que abre un mundo de aplicaciones potenciales.

"Lo que hemos descubierto aquí es un material 2-D aislado con magnetismo intrínseco, y el magnetismo en el sistema es muy robusto, "dijo Xiaodong Xu, un profesor de física y de ciencia e ingeniería de materiales de la UW, y miembro del Clean Energy Institute de la Universidad de Washington. "Prevemos que pueden surgir nuevas tecnologías de la información basadas en estos nuevos imanes 2-D".

Xu y el profesor de física del MIT Pablo Jarillo-Herrero dirigieron el equipo internacional de científicos que demostraron que el material, el triyoduro de cromo, o CrI3:tiene propiedades magnéticas en su forma de monocapa.

Otros grupos, incluido el coautor Michael McGuire en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, había demostrado anteriormente que CrI3, en su multicapa, 3-D, forma cristalina a granel — es ferromagnética. En materiales ferromagnéticos, los "espines" de los electrones constituyentes, análogo a diminuto, imanes subatómicos, alinear en la misma dirección incluso sin un campo magnético externo.

Pero ninguna sustancia magnética tridimensional había conservado previamente sus propiedades magnéticas cuando se redujo a una sola hoja atómica. De hecho, Los materiales monocapa pueden demostrar propiedades únicas que no se ven en sus capas múltiples, Formas tridimensionales.

"Simplemente no se puede predecir con precisión lo que la electricidad, magnético, Las propiedades físicas o químicas de un cristal monocapa en 2-D se basarán en el comportamiento de su contraparte a granel en 3-D, ", dijo el coautor principal y estudiante de doctorado de la Universidad de Washington, Bevin Huang.

Los átomos dentro de los materiales monocapa se consideran "funcionalmente" bidimensionales porque los electrones solo pueden viajar dentro de la hoja atómica, como piezas en un tablero de ajedrez.

Para descubrir las propiedades del CrI3 en su forma 2-D, el equipo usó cinta adhesiva para afeitar una monocapa de CrI3 de la más grande, Forma de cristal 3-D.

"Usar cinta adhesiva para exfoliar una monocapa de su cristal a granel 3D es sorprendentemente efectivo, ", dijo la coautora principal y estudiante de doctorado de la Universidad de Washington, Genevieve Clark. La técnica de bajo costo se utilizó por primera vez para obtener grafeno, la forma 2-D de grafito, y se ha utilizado con éxito desde entonces con otros materiales ".

En materiales ferromagnéticos, los giros alineados de los electrones dejan una firma reveladora cuando un rayo de luz polarizada se refleja en la superficie del material. Los investigadores detectaron esta firma en CrI3 utilizando un tipo especial de microscopía. Es el primer signo definitivo de ferromagnetismo intrínseco en una monocapa aislada.

Asombrosamente, en escamas de CrI3 de dos capas de espesor, la firma óptica desapareció. Esto indica que los espines de los electrones están alineados de manera opuesta entre sí, término conocido como ordenamiento anti-ferromagnético.

El ferromagnetismo regresó en CrI3 de tres capas. Los científicos deberán realizar más estudios para comprender por qué CrI3 mostró estas notables fases magnéticas dependientes de la capa. Pero para Xu, estas son solo algunas de las propiedades verdaderamente únicas reveladas por la combinación de monocapas.

"Las monocapas 2-D por sí solas ofrecen oportunidades interesantes para estudiar el control eléctrico drástico y preciso de las propiedades magnéticas, que ha sido un desafío para realizar utilizando sus cristales a granel 3-D, ", dijo Xu." Pero puede surgir una oportunidad aún mayor cuando se apilan monocapas con diferentes propiedades físicas juntas. Allí, se pueden obtener fenómenos aún más exóticos que no se ven en la monocapa sola o en el cristal a granel 3D ".

Gran parte de la investigación de Xu se centra en la creación de heteroestructuras, que son pilas de dos materiales ultrafinos diferentes. En la interfaz entre los dos materiales, su equipo busca nuevos fenómenos físicos o nuevas funciones que permitan aplicaciones potenciales en tecnologías de la información y la computación.

En un avance relacionado, El grupo de investigación de Xu, El profesor de física y de ingeniería eléctrica de la Universidad de Washington, Kai-Mei Fu, dirigió un equipo de colegas que publicó un artículo el 31 de mayo en Avances de la ciencia mostrando que una forma ultrafina de CrI3, cuando se apila con una monocapa de diselenuro de tungsteno, crea una interfaz de "heteroestructura" ultralimpia con propiedades fotónicas y magnéticas únicas e inesperadas.

"Las heteroestructuras encierran la mayor promesa de realizar nuevas aplicaciones en informática, almacenamiento de base de datos, comunicaciones y otras aplicaciones que ni siquiera podemos comprender todavía, "dijo Xu.

A continuación, a Xu y su equipo les gustaría investigar las propiedades magnéticas exclusivas de los imanes y heteroestructuras 2-D que contienen una monocapa o bicapa de CrI3.