Los materiales más delgados del mundo tienen solo un átomo de espesor. Este tipo de materiales bidimensionales o 2D, como el grafeno, conocido por consistir en una sola capa de átomos de carbono, están causando gran entusiasmo entre los equipos de investigación de todo el mundo. Esto se debe a que estos materiales prometen propiedades inusuales que no se pueden obtener utilizando materiales tridimensionales. Como resultado, los materiales 2D están abriendo la puerta a nuevas aplicaciones en campos como la tecnología de información y visualización, así como para componentes críticos en sensores extremadamente sensibles.

Las estructuras conocidas como monocapas de van-der-Waals están despertando un interés particular. Estas son combinaciones de dos o más capas de diferentes materiales que tienen un solo átomo de espesor cada una, con las capas unidas entre sí por débiles fuerzas electrostáticas de van-der-Waals. Al seleccionar el tipo y la secuencia de las capas de material unidas de esta manera, se pueden elegir y modificar características eléctricas, magnéticas y ópticas específicas. Sin embargo, aún no se ha logrado la deposición homogénea a escala aumentada de capas de van-der-Waals individuales que tengan propiedades ferromagnéticas. Sin embargo, es precisamente este tipo de magnetismo a mayor escala el que es particularmente importante para varias aplicaciones potenciales, como por ejemplo, para una nueva forma de memoria no volátil.

Científicos del Instituto Max Planck de Física de Microestructuras en Halle, Alemania, la fuente de luz de sincrotrón ALBA en Barcelona, ​​España, y el Helmholtz-Zentrum de Berlín han logrado por primera vez crear un material bidimensional uniforme y demostrar un exótico comportamiento ferromagnético dentro de él conocido como magnetismo de "plano fácil".

Una capa casi flotante de cromo y cloro

Los investigadores de Alemania y España utilizaron cloruro de cromo (CrCl₃ ) como un material, que se parece al compuesto correspondiente hecho de cromo y yodo en estructura, pero puede ser considerablemente más robusto. El equipo de Halle depositó una capa monoatómica a macroescala de este material sobre un sustrato de carburo de silicio recubierto de grafeno mediante epitaxia de haz molecular. El propósito del grafeno era reducir la interacción entre el cloruro de cromo y el carburo de silicio y, por lo tanto, evitar que el sustrato influyera en las propiedades del CrCl₃ monoatómico. capa. Esta fue la clave para acceder a la escurridiza anisotropía magnética de plano sencillo", explica el Dr. Amilcar Bedoya-Pinto, investigador del grupo del Prof. Stuart Parkin en el Instituto Max Planck de Halle. capa ultrafina que solo estaba unida a la capa intermedia de grafeno por fuerzas débiles de van-der-Waals".

El objetivo del equipo era responder a la pregunta de cómo se manifiesta el orden magnético en el cloruro de cromo cuando consta de una sola capa monoatómica. En su forma tridimensional normal, la sustancia es antiferromagnética. Como resultado, los momentos magnéticos de los átomos están orientados en direcciones opuestas en cada capa, lo que hace que el material parezca no magnético a granel. Las consideraciones teóricas hasta ahora sugirieron que el orden magnético se pierde o exhibe una magnetización convencional débil cuando el material se reduce a una sola capa atómica.

Mediciones precisas en las instalaciones de VEKMAG

Sin embargo, los científicos ahora han logrado refutar esto al observar detalladamente las propiedades magnéticas del material 2D. Para hacerlo, utilizaron las capacidades únicas de la instalación de imán vectorial VEKMAG instalada en la fuente de radiación de sincrotrón BESSY II de HZB. "Aquí es posible investigar muestras utilizando rayos X suaves en un fuerte campo magnético y a temperaturas cercanas al cero absoluto", dice el Dr. Florin Radu, jefe del equipo de HZB responsable de las operaciones en las instalaciones de VEKMAG. “Esos aspectos hacen que la instalación sea única en el mundo”, añade el científico berlinés. Permitió a los miembros del equipo de Halle determinar la orientación de los momentos magnéticos individuales y distinguir con precisión entre los átomos de cromo y cloro.

Durante las mediciones, los investigadores observaron cómo se formaba el orden ferromagnético en el material bidimensional por debajo de cierta temperatura, lo que se conoce como temperatura de Curie. "En la capa de cloruro de cromo monoatómico, se produjo una transición de fase característica de los imanes de plano fácil que nunca antes se había observado en un material bidimensional", informa Bedoya-Pinto.

Viento de cola para el desarrollo de la espintrónica

El descubrimiento no solo ofrece nuevos conocimientos sobre el comportamiento magnético de los materiales bidimensionales. "Ahora también tenemos una excelente plataforma para explorar una variedad de fenómenos físicos que solo existen en imanes bidimensionales", se complace en decir Bedoya-Pinto, como el transporte de espín superfluido (sin pérdidas), que es una especie de angular intrínseco. cantidad de movimiento de electrones y otras partículas. Estos son la base de una nueva forma de procesamiento de datos que, a diferencia de la electrónica convencional, utiliza momentos magnéticos en lugar de cargas eléctricas. Conocida como espintrónica, actualmente está revolucionando el almacenamiento de datos y el procesamiento de la información. Los nuevos conocimientos adquiridos en HZB podrían impulsar este desarrollo. + Explora más

Visualización de la estructura atómica y el magnetismo de aisladores magnéticos 2-D