Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han descubierto una característica sorprendente en los imanes bidimensionales (2-D), una nueva clase de materiales que recibe mucha atención. Su hallazgo es la primera verificación de que una señal que durante mucho tiempo se pensó que se debía a vibraciones en la red (la estructura del material en sí) se debe en realidad a una onda de espines de electrones.

Algunos materiales se componen de capas que interactúan muy débilmente, que permite a los científicos separar o aislar capas individuales y acceder atómicamente delgadas (del orden de unos pocos nanómetros), Hojas 2-D. Por ejemplo, el grafeno fue el primer material bidimensional aislado del grafito. Cuanto más aprenden los científicos sobre estos materiales bidimensionales, cuanto más cerca estén de realizar aplicaciones potenciales, especialmente en la electrónica de próxima generación e incluso en información cuántica.

El equipo de NIST publicó sus resultados hoy en Revisión física B .

Los transistores son los componentes básicos de toda la electrónica moderna, donde la información se almacena y se transfiere a través del movimiento de electrones. El flujo de estos electrones da como resultado la generación de una cantidad significativa de calor, razón por la cual las computadoras portátiles se calientan con el uso prolongado.

Una posibilidad para resolver este problema de calor es usar oleadas de giros, llamados magnones, como portador de información en dispositivos en lugar de mover electrones. Tecnología futura basada en magnones, o "magnonics, "entonces funcionaría idealmente con poca o ninguna calefacción.

El trabajo del NIST sienta las bases para futuras aplicaciones al establecer una técnica de medición para estudiar la física fundamental de los magnones. El equipo del NIST dice que los ingenieros de dispositivos 2-D estarán particularmente entusiasmados con la alta frecuencia a la que se observa el magnón. Esto es importante para determinar la velocidad de conmutación en dispositivos potenciales basados ​​en magnones (por ejemplo, dispositivos que funcionan en el rango de THz en lugar de en el rango de GHz).

Un enfoque único

El estudio de materiales 2-D ha florecido en su propia rama de la física de la materia condensada, aunque el primer material 2-D, grafeno solo fue aislado en 2004, dijo la líder del proyecto NIST, Angela Hight Walker. Estos materiales se llaman 2-D porque aunque pueden tener micrómetros de ancho, son extremadamente delgadas, delgadas como un solo átomo o 100, 000 veces más pequeño que un cabello humano. Su grosor a escala nanométrica permite una mayor personalización que los materiales 3-D, donde se pueden ver diferencias dramáticas incluso entre una y dos capas del mismo material.

"Una de las cosas interesantes de investigar estos materiales bidimensionales es que hay muchas formas diferentes de ajustarlos, "o controlar su comportamiento, dijo la física del NIST Amber McCreary. "Por ejemplo, porque son muy flexibles físicamente, los investigadores pueden aplicar grandes cantidades de tensión para cambiar sus propiedades, que es un mecanismo de afinación que no tendrías en una versión más gruesa, material más rígido ".

El uso de materiales 2-D también permite a los científicos crear heteroestructuras:sándwiches de materiales delgados apilados uno encima del otro capa por capa. Las interacciones entre las diferentes capas también crean un comportamiento personalizable, por ejemplo, hacer que el grafeno se convierta en superconductor cuando las capas giran en algún "ángulo mágico" entre sí.

Pero hasta hace poco nadie pensó que los materiales en capas podrían ser magnéticos cuando se reduce su tamaño al límite de 2-D. Luego, hace solo un par de años, se descubrió que algunos de ellos podían, De hecho, mantener su comportamiento magnético en una sola capa, y el campo "explotó de interés, "Dijo McCreary.

A raíz de este avance, Hight Walker y McCreary vieron de inmediato la posibilidad de investigar algunos de estos materiales magnéticos bidimensionales utilizando su exclusivo sistema de espectroscopía Raman.

La espectroscopia Raman es una técnica que prueba una muestra con luz láser y luego mide cómo esa luz es dispersada por la muestra. revelar información sobre un material 2-D, como su estructura, defectos dopaje número de capas y acoplamiento entre las capas, y más. Los investigadores visualizan los datos que recopilan como un espectro, una representación gráfica de todas las frecuencias que se están midiendo. Un espectro típico tendría picos que representan una señal fuerte en ciertas frecuencias de luz.

Además de todas las capacidades de la espectroscopia Raman convencional, El sistema de ingeniería personalizada en NIST agrega la capacidad de rastrear simultáneamente la luz dispersa en función de la temperatura (hasta 1,6 K) y el campo magnético (hasta 9 Tesla).

Los científicos del NIST optaron por explorar el imán 2-D FePS3 porque su espectro Raman cambia drásticamente cuando se vuelve magnético a bajas temperaturas. Alrededor de 120 K (alrededor de -240 grados F), los espines de cada átomo de Fe prefieren alinearse frente a su vecino; esta configuración se llama antiferromagnética, a diferencia de ferromagnético donde todos los espines se alinean en la misma dirección.

Mientras realizaban sus experimentos, encontraron que uno de los picos en sus espectros Raman se comportaba inesperadamente.

Una historia de detectives:¿Magnon o Phonon?

El quid de este trabajo requiere apreciar la diferencia entre dos tipos de excitaciones colectivas, fonones y magnones.

Los fonones son vibraciones reticulares cuantificadas en un material, donde la palabra cuantizado se usa para significar que solo se permiten ciertas frecuencias de vibraciones. En esta animación, puedes ver cómo esta vibración se propaga a través de la estructura de una cadena de átomos unidimensional (1D), con algunos átomos acercándose unos a otros, luego más lejos, mientras el material vibra.

Magnones, por otra parte, no implican el movimiento de los propios átomos. En lugar de, Los magnones implican cambios en una propiedad cuántica de los electrones en los átomos llamada espín, la característica que hace que los imanes sean magnéticos. Si piensa en cada átomo como una brújula, entonces el giro es (metafóricamente) la aguja de la brújula. En esta metáfora, sin embargo, el giro puede apuntar tanto al norte (arriba) como al sur (abajo). La siguiente animación muestra una caricatura de un magnón, lo que puede suceder cuando los espines son perturbados por la luz láser. Puede ver cómo las flechas tienen un movimiento ondulante que es análogo a los giros en un material magnético en esta muestra de cadena 1D. Esta excitación de los espines se llama onda de espín.

Cuando mides el espectro Raman de materiales magnéticos, tanto fonones como magnones pueden aparecer como picos individuales que son indistinguibles al principio. Requiere técnicas de investigación avanzadas, incluido el estudio de las características mientras se rastrea simultáneamente su respuesta a la temperatura y al campo magnético, para discernir verdaderamente los dos. Previamente, la comunidad de investigación había identificado un pico particular en el espectro Raman de FePS3 como un fonón. Pero al cambiar la temperatura y la intensidad del campo magnético, el equipo del NIST descubrió dos comportamientos extraños.

Primero, el cambio de frecuencia del pico fue mayor de lo esperado en función de la temperatura. Y luego, cuando aplicaron un campo magnético cada vez más grande, la característica que estaban rastreando sorprendentemente se divide en dos picos.

Ninguno de estos comportamientos se espera de un teléfono. Pero son un comportamiento clásico de magnon.

"Nuestro estudio es el primero en confirmar la presencia de un magnón en un imán 2-D, y nuestras capacidades experimentales únicas lo hicieron posible, "dijo Thuc Mai, a National Research Council postdoctoral fellow and paper co-author.

Where Do We Go From Here

One of the main takeaways of this work is that other researchers should consider magneto-Raman spectroscopy as a key measurement technique to probe 2-D magnets and other quantum materials, Hight Walker said.

"We know of at least three labs that are adopting similar configurations after hearing us present the details of our unique capabilities, " Hight Walker said. "So it is exciting that people are seeing the promise."

"NIST was the first to leverage our magneto-optical cryostat with such advanced Raman spectroscopy, " said Balázs Sipos, head of customer success at Attocube, a company that develops, produce, and distributes components and systems for nanoscale applications. "We have seen several more labs interested in duplicating their set up to achieve these unique types of measurements."

As new information about these new materials is unraveled, more applications will be realized. Ahora, the 2-D magnets are so new that scientists are still diving into the underlying physics. But computing systems based on magnetism instead of electronics could be a potential high-risk, high reward outcome.

"We're doing the groundwork in understanding how optics can be used to study these materials that have been called out as relevant quantum materials for investigation, " Hight Walker said. "As we're beginning to demonstrate, this technique is going to be key for quantum materials metrology."

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de NIST. Lea la historia original aquí.