Los teóricos de la Universidad de Rice han descubierto que los campos magnéticos (azul) se crean en los límites de los granos en dicalcogenuros bidimensionales. Dislocaciones a lo largo de estos límites, donde los átomos son expulsados de sus patrones hexagonales regulares, fuerza que el electrón gira en alineaciones que favorecen el magnetismo. Crédito:Universidad de Zhuhua Zhang / Rice
Cuando aprietas átomos, no obtienes jugo de átomo. Obtienes imanes.
Según una nueva teoría de los científicos de la Universidad de Rice, las imperfecciones en ciertos materiales bidimensionales crean las condiciones por las cuales surgen los campos magnéticos a nanoescala.
Los cálculos del laboratorio del físico teórico de Rice Boris Yakobson muestran estas imperfecciones, llamados límites de grano, en materiales semiconductores bidimensionales conocidos como dicalcogenuros pueden ser magnéticos. Esto puede conducir a nuevas estrategias para el creciente campo de la espintrónica, que aprovecha el giro intrínseco de los electrones y sus campos magnéticos asociados para dispositivos electrónicos y de computación.
El descubrimiento de Yakobson, El autor principal Zhuhua Zhang y sus colegas se informó en línea esta semana en la revista American Chemical Society ACS Nano .
Los dichalcogenuros son híbridos que combinan átomos de metal de transición y calcógeno, que incluyen azufre, selenio y telurio. El grupo Yakobson se centró en la semiconducción de disulfuro de molibdeno (MDS) que, como el grafeno de un átomo de espesor, se puede cultivar mediante deposición química de vapor (CVD), entre otros métodos. En un horno CVD, los átomos se organizan alrededor de una semilla de catalizador en patrones hexagonales familiares; sin embargo, en el caso de MDS, Los átomos de azufre en la red flotan alternativamente por encima y por debajo de la capa de molibdeno.
Cuando dos flores en crecimiento se encuentran, es muy poco probable que se alineen para que los átomos encuentren una manera de conectarse a lo largo de la frontera, o límite de grano. En lugar de hexágonos regulares, los átomos se ven obligados a encontrar el equilibrio formando anillos contiguos conocidos como dislocaciones, con cinco más siete nodos o cuatro más ocho nodos.
En grafeno, que generalmente se considera el material más fuerte de la Tierra, estas dislocaciones son puntos débiles. Pero en MDS u otros dicalcogenuros, tienen propiedades únicas.
En una hoja perfecta de bisulfuro de molibdeno, a la izquierda Los átomos de azufre (amarillo) y los átomos de molibdeno (azul) aparecen en un patrón hexagonal perfecto cuando se ven desde arriba, aunque los átomos de azufre flotan justo encima y debajo de la capa de molibdeno. Cuando dos hojas se unen en ángulo, Derecha, las dislocaciones rompen los hexágonos. En esos puntos, según una nueva investigación de la Universidad de Rice, Pueden formarse campos magnéticos. El descubrimiento puede impulsar la investigación sobre espintrónica para electrónica e informática. Crédito:Universidad de Zhuhua Zhang / Rice
"No importa cómo los cultives, ", Dijo Yakobson." Estas áreas desorientadas eventualmente chocan, y ahí es donde se encuentran los defectos topológicos. Resulta que, y me gusta esta metáfora mecanicista, exprimen el magnetismo del material no magnético ".
En trabajos anteriores, Yakobson descubrió que las dislocaciones crean líneas conductoras de ancho de átomo y poliedros en forma de dreidel en MDS. Esta vez, El equipo investigó más profundamente para encontrar que los núcleos de dislocación se vuelven magnéticos donde obligan a los electrones giratorios a alinearse de manera que no se cancelen entre sí. como lo hacen en una celosía impecable. La fuerza de los imanes depende del ángulo del límite y aumenta con el número de dislocaciones necesarias para mantener el material energéticamente estable.
"Cada electrón tiene carga y giro, ambos pueden llevar información, ", Dijo Zhang." Pero en transistores convencionales, solo explotamos la carga, como en los transistores de efecto de campo. Para dispositivos espintrónicos de reciente aparición, necesitamos controlar tanto la carga como el centrifugado para mejorar la eficiencia y mejorar las funciones ".
Las dislocaciones atómicas pueden cargarse magnéticamente cuando las hojas bidimensionales de disulfuro de molibdeno y otros dicalcogenuros se encuentran en un ángulo, según cálculos de teóricos de la Universidad Rice. Los límites de los granos fuerzan a los átomos a salir de sus patrones hexagonales (izquierda) y evitan que los giros de los electrones se cancelen entre sí, creando campos magnéticos a nanoescala (derecha, en azul) en el proceso. Crédito:Universidad de Zhuhua Zhang / Rice
"Nuestro trabajo sugiere un nuevo grado de libertad, una nueva perilla de control, para la electrónica que usa MDS, Yakobson dijo:"La capacidad de controlar las propiedades magnéticas de este material 2-D lo hace superior al grafeno en ciertos aspectos".
Dijo que los anillos de dislocación de cuatro y ocho átomos no se favorecen energéticamente en el grafeno y es poco probable que ocurran allí. Pero en los materiales que mezclan dos elementos, Es muy probable que ciertas configuraciones de límites de grano creen condiciones en las que elementos similares, deseando evitar el contacto entre sí, en cambio, se unirán con sus opuestos químicos.
"El sistema evita los enlaces monoelementales, "Dijo Yakobson." A la química no le gusta, por lo que cuatro-ocho ofrece un beneficio ". Esos defectos también son las fuentes más fuertes de magnetismo en ciertos ángulos de frontera de grano, él dijo; en algunos ángulos, los límites se vuelven ferromagnéticos.
El equipo demostró su teoría a través de modelos informáticos diseñados para aislar y controlar los efectos de los bordes de las nanocintas y los dipolos de los límites del grano que podrían sesgar los resultados. También determinaron que los ángulos del límite del grano entre 13 y 32 grados fuerzan una superposición progresiva entre los giros de las dislocaciones. Con suficiente superposición, los espines se acoplan magnéticamente y se amplían en bandas electrónicas que soportan el transporte de carga polarizada por espín a lo largo del límite.
Ahora, Yakobson dijo:"El desafío es encontrar una manera de detectar experimentalmente estas cosas. Es bastante difícil resolverlo con esta resolución espacial, especialmente cuando algunos de los métodos experimentales, como haces de electrones, destruiría el material ".
