Investigadores liderados por el profesor Pablo Jarillo-Herrero del Departamento de Física del MIT demostraron el año pasado que las capas giratorias de grafeno estructurado hexagonalmente en un "ángulo mágico" particular podrían cambiar las propiedades electrónicas del material de un estado aislante a un estado superconductor. Ahora, los investigadores del mismo grupo y sus colaboradores han demostrado que en un material ultradelgado diferente que también presenta una estructura atómica en forma de panal, el tricloruro de cromo (CrCl ₃ ):Pueden alterar las propiedades magnéticas del material cambiando el orden de apilamiento de las capas.

Los investigadores quitaron capas bidimensionales (2-D) de tricloruro de cromo usando cinta adhesiva de la misma manera que los investigadores quitan el grafeno del grafito. Luego estudiaron las propiedades magnéticas del tricloruro de cromo 2-D utilizando un túnel de electrones. Descubrieron que el magnetismo es diferente en cristales 2-D y 3-D debido a diferentes arreglos de apilamiento entre átomos en capas adyacentes.

A altas temperaturas, cada átomo de cromo en el tricloruro de cromo tiene un momento magnético que fluctúa como la aguja de una pequeña brújula. Los experimentos muestran que a medida que la temperatura desciende por debajo de 14 kelvin (-434,47 grados Fahrenheit), en lo profundo del rango de temperatura criogénica, estos momentos magnéticos se congelan en un patrón ordenado, apuntando en direcciones opuestas en capas alternas (antiferromagnetismo). La dirección magnética de todas las capas de tricloruro de cromo se puede alinear aplicando un campo magnético. Pero los investigadores encontraron que en su forma 2-D, esta alineación necesita una fuerza magnética 10 veces más fuerte que en el cristal 3-D. Los resultados se publicaron recientemente en línea en Física de la naturaleza .

"Lo que estamos viendo es que es 10 veces más difícil alinear las capas en el límite delgado en comparación con el volumen, que medimos mediante tunelización de electrones en un campo magnético, "dice la estudiante de posgrado en física del MIT, Dahlia R. Klein, investigador graduado de la National Science Foundation y uno de los autores principales del artículo. Los físicos llaman a la energía requerida para alinear la dirección magnética de las capas opuestas la interacción de intercambio entre capas. "Otra forma de pensar es que la interacción de intercambio entre capas es cuánto quieren estar anti-alineadas las capas adyacentes, ", sugiere el autor principal y postdoctorado del MIT, David MacNeill.

Los investigadores atribuyen este cambio de energía a la disposición física ligeramente diferente de los átomos en el cloruro de cromo 2-D. "Los átomos de cromo forman una estructura de panal en cada capa, básicamente se trata de apilar los panales de diferentes formas, ", Dice Klein." Lo importante es que estamos demostrando que los órdenes magnéticos y de apilamiento están estrechamente vinculados en estos materiales ".

"Nuestro trabajo destaca cómo las propiedades magnéticas de los imanes 2-D pueden diferir sustancialmente de sus contrapartes 3-D, "dice el autor principal Pablo Jarillo-Herrero, el profesor de física Cecil e Ida Green. "Esto significa que ahora tenemos una nueva generación de materiales magnéticos altamente ajustables, con importantes implicaciones tanto para nuevos experimentos de física fundamental como para aplicaciones potenciales en espintrónica y tecnologías de la información cuántica ".

Las capas están muy débilmente acopladas en estos materiales, conocidos como imanes de van der Waals, que es lo que facilita la eliminación de una capa del cristal 3-D con cinta adhesiva. "Al igual que con el grafeno, los lazos dentro de las capas son muy fuertes, pero solo hay interacciones muy débiles entre capas adyacentes, para que pueda aislar muestras de pocas capas con cinta, "Dice Klein.

MacNeill y Klein cultivaron las muestras de cloruro de cromo, dispositivos nanoelectrónicos construidos y probados, y analizó sus resultados. Los investigadores también encontraron que a medida que el tricloruro de cromo se enfría de temperatura ambiente a temperaturas criogénicas, Los cristales tridimensionales del material experimentan una transición estructural que los cristales bidimensionales no experimentan. Esta diferencia estructural explica la mayor energía requerida para alinear el magnetismo en los cristales 2-D.

Los investigadores midieron el orden de apilamiento de las capas 2-D mediante el uso de espectroscopía Raman y desarrollaron un modelo matemático para explicar la energía involucrada en el cambio de dirección magnética. El coautor y postdoctorado de la Universidad de Harvard, Daniel T.Larson, dice que analizó una gráfica de datos Raman que mostraba variaciones en la ubicación de los picos con la rotación de la muestra de tricloruro de cromo. determinando que la variación fue causada por el patrón de apilamiento de las capas. "Aprovechando esta conexión, Dahlia y David han podido utilizar la espectroscopía Raman para conocer detalles sobre la estructura cristalina de sus dispositivos que serían muy difíciles de medir de otra manera. "Larson explica." Creo que esta técnica será una adición muy útil a la caja de herramientas para estudiar estructuras y dispositivos ultradelgados ". El estudiante graduado del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Qian Song, llevó a cabo los experimentos de espectroscopía Raman en el laboratorio del asistente del MIT. Riccardo Comin, profesor de física, ambos también son coautores del artículo.

"Esta investigación realmente destaca la importancia del orden de apilamiento para comprender cómo se comportan estos imanes de van der Waals en el límite delgado, "Dice Klein.

MacNeill agrega, "La pregunta de por qué los cristales 2-D tienen diferentes propiedades magnéticas nos ha estado desconcertado durante mucho tiempo. Estábamos muy emocionados de finalmente entender por qué está sucediendo esto, y es por la transición estructural ".

Este trabajo se basa en dos años de investigación previa sobre imanes 2-D en los que el grupo de Jarillo-Herrero colaboró ​​con investigadores de la Universidad de Washington. dirigido por el profesor Xiaodong Xu, que tiene nombramientos conjuntos en los departamentos de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Física, e Ingeniería Eléctrica e Informática, y otros. Su trabajo, que fue publicado en un Naturaleza carta en junio de 2017, mostró por primera vez que un material diferente con una estructura cristalina similar, el triyoduro de cromo (CrI ₃ ) —También se comportó de manera diferente en la forma 2-D que en la forma general, con muestras de pocas capas que muestran antiferromagnetismo a diferencia de los cristales ferromagnéticos 3-D.

El grupo de Jarillo-Herrero pasó a presentarse en mayo de 2018 Ciencias papel que el triyoduro de cromo exhibió un cambio brusco en la resistencia eléctrica en respuesta a un campo magnético aplicado a baja temperatura. Este trabajo demostró que el efecto túnel de electrones es una sonda útil para estudiar el magnetismo de cristales bidimensionales. Klein y MacNeill también fueron los primeros autores de este artículo.

El profesor de la Universidad de Washington Xiaodong Xu dice de los últimos hallazgos, "El trabajo presenta un enfoque muy inteligente, a saber, las mediciones de tunelización combinadas con espectroscopía Raman resuelta por polarización. El primero es sensible al antiferromagnetismo entre capas, mientras que este último es una sonda sensible de la simetría cristalina. Este enfoque proporciona un nuevo método para permitir que otros miembros de la comunidad descubran las propiedades magnéticas de los imanes en capas ".

"Este trabajo está en sintonía con varios otros trabajos publicados recientemente, "Dice Xu." Juntos, estos trabajos descubren la oportunidad única que brindan los imanes en capas de van der Waals, a saber, ingeniería del orden magnético mediante el control del orden de apilamiento. Es útil para la creación arbitraria de nuevos estados magnéticos, así como para su posible aplicación en dispositivos magnéticos reconfigurables ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.