PARQUE Je-Geun, El director asociado del Center for Correlated Electron Systems y sus colaboradores han demostrado el comportamiento magnético de una clase especial de materiales 2-D. Esta es la primera prueba experimental de una teoría propuesta hace más de 70 años. El papel, describiendo el experimento, se publica en la revista Nano letras .

Recientemente, Científicos de todo el mundo están investigando las propiedades y aplicaciones de materiales 2-D extremadamente delgados, solo un átomo de espesor, como el grafeno. El estudio de las propiedades de los materiales bidimensionales en comparación con sus homólogos tridimensionales plantea muchas preguntas que invitan a la reflexión; uno de ellos se refiere a las transiciones de fase magnética.

Algunos materiales son magnéticos debido al comportamiento de los espines de sus electrones. En lenguaje sencillo, espines (números cuánticos de espín, o más precisamente sus momentos magnéticos asociados), son como pequeños imanes, se muestra convencionalmente como flechas. A temperaturas extremadamente bajas, estos giros tienden a alinearse, reduciendo la energía total de los electrones. Sin embargo, por encima de una temperatura específica que varía de un material a otro, los giros pierden su alineación y se orientan aleatoriamente. Similar a cómo el hielo pierde su orden interno y se vuelve líquido por encima de cierta temperatura; Los imanes tridimensionales también pierden su magnetización por encima de una temperatura crítica. A esto se le llama transición de fase y es un proceso siempre presente en los objetos 3-D.

Sin embargo, ¿Qué sucede con los sistemas 1D y 2-D a bajas temperaturas? ¿Experimentan una transición de fase? En otras palabras, ¿Veremos una transición de sólido a líquido en una cadena de moléculas de agua (1D) o en una lámina de agua de un átomo de espesor (2-D)?

Hace aproximadamente un siglo, el físico Wilhelm Lenz le pidió a su alumno Ernst Ising que resolviera este problema para sistemas 1D. Ising lo explicó en 1925 y concluyó que los materiales 1D no tienen transiciones de fase. Luego, Ising intentó lidiar con la misma pregunta para un tipo particular de materiales 2-D. El problema resultó ser mucho más difícil. La solución llegó en 1943 por cortesía de Lars Onsager, que recibió el Premio Nobel de Química en 1968. De hecho, Onsager descubrió que los materiales, que siguen el modelo de giro de Ising, tener una transición de fase. Sin embargo, a pesar de la enorme importancia que tiene esta teoría en el siguiente desarrollo de toda la física de las transiciones de fase, nunca se ha probado experimentalmente con un material magnético real. "La física de los sistemas 2-D es única y emocionante. La solución Onsager se enseña en todos los cursos de mecánica estadística avanzada. Ahí es donde aprendí este problema. Sin embargo, cuando descubrí mucho después que no había sido probado experimentalmente con un material magnético, Pensé que era una pena para los experimentadores como yo, así que fue natural para mí buscar un material real para probarlo, "explica PARK Je-Geun.

Para probar el modelo de Onsager, El equipo de investigación produjo cristales de tritiohipofosfato de hierro (FePS3) con una técnica llamada transporte químico de vapor. Los cristales están hechos de capas unidas por interacciones débiles, conocidas como interacciones de Van der Waals. Las capas se pueden despegar del cristal con cinta adhesiva, de la misma manera que la cinta puede quitar la pintura de una pared. Los científicos pelaron las capas hasta que quedaron con solo una capa de FePS3 (2-D). "Podemos llamar a estos materiales materiales magnéticos de Van der Waals o grafeno magnético:son magnéticos y tienen enlaces de Van der Waals fáciles de escindir entre las capas. Son muy raros, y su física aún está inexplorada, "dice el profesor.

Si bien existen varios métodos para medir las propiedades magnéticas de materiales tridimensionales a granel, estas técnicas no tienen ningún uso práctico para medir señales magnéticas provenientes de materiales monocapa. Por lo tanto, el equipo utilizó espectroscopía Raman, una técnica normalmente utilizada para medir vibraciones dentro del material. Usaron vibraciones como una medida indirecta de magnetismo, cuantas más vibraciones, la menor magnetización.

El equipo de Park y sus colegas utilizaron por primera vez la espectroscopia Raman en material de FePS3 3-D a granel a diferentes temperaturas y luego probaron la monocapa 2-D de FePS3. "La prueba con la muestra a granel nos mostró que las señales Raman se pueden usar como una especie de huella dactilar de la transición de fase a temperaturas de alrededor de 118 Kelvin, o menos 155 grados Celsius. Con esta confirmación, medimos la muestra de monocapa y encontramos los mismos patrones, "señala Park." Concluimos que 3-D y 2-D FePS3 tienen la misma firma de la transición de fase visible en el espectro Raman. "Tanto en la muestra a granel como en la monocapa, Los espines FePS3 'se ordenan (antiferromagnéticos) a muy bajas temperaturas, y se vuelven desordenados (paramagnéticos) por encima de los 118 grados Kelvin. "Mostrar la transición de fase magnética con este experimento de tour-de-force es una hermosa prueba para la solución Onsager, "concluye el físico.

En el futuro, el equipo quisiera estudiar otros materiales de metales de transición 2-D, yendo más allá del modelo de giro 2-D Ising.