Figura 1:Giros en juego. Los espines de los electrones en diferentes materiales pueden verse limitados en determinadas orientaciones. El modelo Ising trata con giros que apuntan hacia arriba o hacia abajo. El modelo XY explica el comportamiento de los materiales donde los giros son libres para moverse solo en los ejes xey, y el modelo de Heisenberg trata sobre giros que apuntan en cualquier dirección, muy parecido a las manecillas del reloj. Crédito:Instituto de Ciencias Básicas
Investigadores del Center for Correlated Electron Systems, dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) en Corea del Sur, en colaboración con la Universidad de Sogang y la Universidad Nacional de Seúl, informó la primera observación experimental de un material antiferromagnético de tipo XY, cuyo orden magnético se vuelve inestable cuando se reduce a un espesor de un átomo. Publicado en Comunicaciones de la naturaleza , estos hallazgos son consistentes con las predicciones teóricas que se remontan a la década de 1970.
La dimensionalidad en física es un concepto importante que determina la naturaleza de la materia. El descubrimiento del grafeno abrió las puertas del mundo 2-D:un lugar donde tener un átomo o dos átomos de espesor marca la diferencia. Desde entonces, varios científicos se interesaron en experimentar con materiales 2-D, incluidos los materiales magnéticos.
Los materiales magnéticos se caracterizan por su comportamiento de giro. Los giros se pueden alinear en paralelo o en antiparalelo entre sí, dando lugar a ferromagnetos o antiferromagnetos, respectivamente. Más allá de eso, toda clase de materiales puede, en principio, pertenecen a tres modelos diferentes de acuerdo con una comprensión fundamental de la física:Ising, XY o Heisenberg. El modelo XY explica el comportamiento de los materiales cuyos espines se mueven solo en un plano que consta de los ejes xey.
El comportamiento de giro puede cambiar drásticamente al cortar el imán a su nivel más delgado, dado que los materiales 2-D son más sensibles a las fluctuaciones de temperatura, que puede destruir el patrón de giros bien alineados. Hace casi 50 años, John M. Kosterlitz y David J. Thouless, y Vadim Berezinskii de forma independiente, describió teóricamente que los modelos 2-D XY no experimentan una transición de fase magnética normal a bajas temperaturas, pero una forma muy inusual, más tarde llamado transición BKT. Se dieron cuenta de que las fluctuaciones cuánticas de los giros individuales son mucho más disruptivas en el mundo 2-D que en el 3-D. lo que puede llevar a que los giros tomen un patrón de vórtice. Kosterlitz y Thouless recibieron el Premio Nobel de Física en 2016.
A través de los años, los materiales ferromagnéticos han sido ampliamente analizados, pero la investigación sobre materiales antiferromagnéticos no avanzó a la misma velocidad. El motivo es que estos últimos necesitan diferentes técnicas experimentales. "A pesar del interés y los fundamentos teóricos, nadie ha experimentado nunca con él. La razón principal de esto es que es muy difícil medir en detalle las propiedades magnéticas de un material antiferromagnético tan delgado, "dice PARK Je-Geun, autor principal de la publicación.
Figura 2:Comparación entre NiPS3 a granel y monocapa a diferentes temperaturas. NiPS3 a granel (a) y monocapa (b) revelan una firma diferente en los espectros Raman. El gran pico de alrededor de 550 cm-1 en la muestra de un átomo de espesor es una señal de que se ha perdido el orden magnético. Crédito:Instituto de Ciencias Básicas
Los investigadores involucrados en este estudio se centraron en una clase de metales de transición que son adecuados para estudiar el ordenamiento antiferromagnético en 2-D. Entre ellos, El trisulfuro de níquel-fósforo (NiPS3) corresponde al tipo XY y es antiferromagnético a bajas temperaturas. También es un material de van der Waals, caracterizado por fuertes enlaces intracapa, y conexiones entre capas fácilmente rompibles. Como resultado, NiPS3 se puede preparar en múltiples capas, con una técnica llamada deposición química de vapor, y luego se exfolió hasta formar una monocapa, permitiendo examinar la correlación entre el orden magnético y el número de capas.
El equipo analizó y comparó NiPS3 a granel y como monocapa con espectroscopía Raman, una técnica que permite determinar el número de capas y propiedades físicas. Notaron que su magnetismo cambiaba según el grosor:el orden de los giros se suprime a nivel de monocapa.
"Lo interesante es el cambio drástico entre la bicapa y la monocapa. A primera vista, puede que no haya una gran diferencia entre los dos, pero el efecto de pasar de dos dimensiones a tres dimensiones hace que sus propiedades físicas cambien abruptamente, "explica Park.
Este es otro ejemplo de materiales magnéticos dependientes del espesor. Entre ellos, triyoduro de cromo (CrI 3 ) es ferromagnético como monocapa, anti-ferromagnético como bicapa, y de nuevo a ferromagnético como tricapa. Y a diferencia del tritiohipofosfato de hierro (FePS 3 ), para lo cual los científicos de IBS del grupo del Prof. Park encontraron en 2016 que mantiene intacto su orden antiferromagnético hasta la monocapa.
El grupo también está investigando el modelo de Heisenberg, y nuevos fenómenos derivados de la combinación de materiales antiferromagnéticos con otros.
