Están formados por capas ultrafinas, unidos por lazos débiles, por tanto, es posible controlar su espesor mediante un simple pelado. Las propiedades magnéticas vienen dadas por el giro, representado con flechas rojas. Crédito:IBS
En el nanomundo el magnetismo ha demostrado ser realmente sorprendente. Los materiales magnéticos 2-D de solo unos pocos átomos de espesor podrían proporcionar un sustrato para la electrónica post-silicio cada vez más pequeña. Un equipo de investigación internacional dirigido por Park Je-Geun en el Center for Correlated Electron Systems, dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS), acaba de publicar un artículo de Perspective Review en Naturaleza presentando los últimos logros y el potencial futuro de los materiales magnéticos bidimensionales de van der Waals (vdW), que eran desconocidos hasta hace seis años y recientemente han atraído la atención mundial.
Los materiales VdW están hechos de montones de capas ultrafinas unidas por enlaces débiles de van der Waals. El éxito del grafeno, el material estelar de vdW, estimuló a los científicos a buscar otros cristales 2-D con capas que se pueden cambiar. añadido o eliminado con el fin de introducir nuevas propiedades físicas, como el magnetismo.
¿Cómo se vuelven magnéticos los materiales?
Cada electrón de un material actúa como una pequeña brújula con sus propios polos norte y sur. La orientación de estas "agujas de la brújula" determina la magnetización. Más específicamente, La magnetización surge del giro de los electrones (momento magnético) y depende de la temperatura. Un ferromagnet, como un imán de nevera estándar, adquiere sus propiedades magnéticas por debajo de la temperatura de transición magnética:temperatura de Curie (Tc). Cuando todos los momentos magnéticos estén alineados, todas las "agujas de la brújula" apuntan en la misma dirección. Por el contrario, otros materiales son antiferromagnéticos, lo que significa que por debajo de la temperatura de transición, llamada temperatura de Neel (TN), las "agujas de la brújula" apuntan en la dirección opuesta. Para temperaturas superiores a Tc o TN, los momentos atómicos individuales no están alineados, y los materiales pierden sus propiedades magnéticas.
Sin embargo, la situación puede cambiar drásticamente al reducir los materiales a la escala nanométrica bidimensional. Una rebanada ultrafina de un imán de nevera probablemente mostrará características diferentes de todo el objeto. Esto se debe a que los materiales 2-D son más sensibles a las fluctuaciones de temperatura, que puede destruir el patrón de las "agujas de la brújula" bien alineadas. Por ejemplo, imanes a granel convencionales, como el hierro y el níquel, tienen una Tc mucho más baja en 2-D que en 3-D. En otros casos, el magnetismo en 2-D realmente depende del grosor:el triyoduro de cromo (CrI3) es ferromagnético como monocapa, anti-ferromagnético como bicapa, y de nuevo ferromagnético como tricapa. Sin embargo, hay otros ejemplos, como el tritiohipofosfato de hierro (FePS3), que mantiene notablemente intacto su ordenamiento antiferromagnético hasta la monocapa.
La clave para producir materiales magnéticos 2-D es controlar sus fluctuaciones de giro. Es más probable que los materiales bidimensionales con una dirección de giro preferida (anisotropía magnética) sean magnéticos. La anisotropía también se puede introducir artificialmente agregando defectos, dopantes magnéticos o jugando con la interacción entre el espín del electrón y el campo magnético generado por el movimiento del electrón alrededor del núcleo. Sin embargo, todos estos son métodos técnicamente desafiantes.
Park lo explica con una analogía:"Es como supervisar a un grupo de niños inquietos y que se portan mal, donde cada niño representa una brújula atómica. Quieres alinearlos pero prefieren jugar. Es una tarea dura, como te diría cualquier maestro de jardín de infancia. Necesitaría conocer con precisión los movimientos de cada uno de ellos en el tiempo y el espacio. Y para controlarlos, tienes que responder en ese mismo momento, lo cual es técnicamente muy difícil ".
Varias preguntas fundamentales pueden responderse gracias a los materiales vdW magnéticos 2-D. En particular, Los materiales vdW son un banco de pruebas para encontrar evidencia experimental de algunos modelos físico-matemáticos que aún permanece sin resolver. Estos modelos explican el comportamiento de la transición magnética en relación con el espín. En particular, el modelo de Ising describe giros ("agujas de la brújula") restringidos a apuntar hacia arriba o hacia abajo, perpendicular al plano. El modelo XY permite que los giros apunten en cualquier dirección del avión, y finalmente, en el modelo de Heisenberg, los giros son libres de apuntar en cualquier x, y, dirección z.
Estos modelos se diferencian por las restricciones dadas a la orientación de los espines del electrón (flechas). Si todos los giros están alineados en una dirección, el material se convierte en un ferromagnético. Por debajo de la temperatura de transición magnética, los giros adyacentes afectan el comportamiento de los demás, pero a medida que sube la temperatura, se mueven de forma más independiente. El modelo de Ising se refiere a giros con solo dos direcciones (eje z); arriba o abajo. En el caso del modelo XY, el giro sigue el eje xey en un plano, y en el modelo de Heisenberg, los giros toman varias direcciones, muy parecido a cómo las manecillas del reloj apuntan en varias direcciones. Crédito:IBS
En 2016, Los científicos del IBS del grupo del Prof. Park encontraron la primera prueba experimental de la solución de Onsager para el modelo de Ising. Descubrieron que el Tc de FePS3 es 118 Kelvin, o menos 155 grados Celsius, tanto en 3-D como en 2-D. Sin embargo, los modelos XY y Heisenberg en 2-D han encontrado más barreras experimentales, y todavía faltan pruebas después de 50 años.
"El descubrimiento del grafeno me llevó a preguntarme si podría introducir magnetismo en materiales 2-D similares al grafeno, "explica Park." Los físicos han heredado el desafío de estudiar y explicar las propiedades físicas del mundo bidimensional. A pesar de su importancia académica y aplicabilidad, este campo está muy poco explorado, " él añade.
Los científicos también están interesados en explorar formas de controlar y manipular eléctricamente las propiedades magnéticas de estos materiales. óptica y mecánicamente. Su delgadez los hace más susceptibles a los estímulos externos. Es una limitación, pero también puede ser un potencial. Por ejemplo, El magnetismo también puede ser inducido o ajustado por tensión, o colocando las capas superpuestas en un patrón específico, conocido como patrón muaré.
Aplicaciones esperadas de los materiales magnéticos vdW
Aunque varias preguntas fundamentales aún esperan una respuesta, Se espera que controlar y modificar los espines de los electrones y las estructuras magnéticas conduzca a varios resultados deseables. Esta Naturaleza Perspective Review enumera posibles direcciones de investigación para el futuro.
Una de las aplicaciones más buscadas es el uso de spin para almacenar y codificar información. Los giros controlados podrían reemplazar los discos duros actuales, e incluso convertirse en la clave de la computación cuántica. En particular, la espintrónica tiene como objetivo controlar el espín de los electrones. Los materiales bidimensionales son buenos candidatos, ya que requerirían menos consumo de energía en comparación con sus contrapartes 3-D. Una hipótesis interesante es almacenar la memoria a largo plazo en patrones de polos magnéticos orientados llamados skyrmions en materiales magnéticos.
Potencialmente, Los materiales vdW podrían revelar algún estado exótico de la materia, como líquidos de espín cuántico, un estado hipotético de la materia caracterizado por "agujas de brújula" desordenadas incluso a temperaturas extremadamente bajas, y se espera que albergue a los esquivos fermiones de Majorana, partículas que han sido teorizadas, pero nunca observado.
Además, aunque la superconductividad y el magnetismo no se pueden acomodar fácilmente en el mismo material, jugar con el orden de los giros podría producir nuevos, superconductores no convencionales.
Finalmente, aunque la lista de materiales vdW ha crecido muy rápidamente en los últimos años, Hasta ahora se han descubierto menos de 10 materiales vdW magnéticos. Ingeniería de más materiales, especialmente materiales que se pueden utilizar a temperatura ambiente, también es un objetivo importante de los físicos de la materia condensada.
