Vols estar al dia? Subscriu-te al nostre newsletter. 1 E-mail cada 2 Mesos! |
 |
Esquerra: espectre XMCD de Cr L23 d'una monocapa de CrCl3 a T=2K i B=6T, que mostra un gran senyal magnètic XMCD dels àtoms de Cr que superen el 100% (límit L3). BOREAS. Dreta: topografía STM d'una monocapa CrCl3 cultivada en grafè/6H-SiC(0001). Requadre: imatge topogràfica ampliada que revela els límits del gra. MPI. © Science, doi: 10.1126/science.abd5146
Cerdanyola del Vallès, 16 desembre 2021 Els materials més fins del món tenen un sol àtom de gruix. Aquest tipus de materials bidimensionals o 2D, com el grafè (conegut per constar d’una sola capa d’àtoms de carboni), estan causant un gran entusiasme entre els equips d’investigació de tot el món. Això es deu al fet que aquests materials prometen propietats inusuals que no es poden obtenir amb materials tridimensionals. Com a resultat, els materials 2D estan obrint la porta a noves aplicacions en camps com la tecnologia de la informació, així com per a components crítics en sensors extremadament sensibles.
Les estructures conegudes com monocapes de van-der-Waals desperten especial interès. Es tracta de combinacions de dues o més capes de diferents materials, cada una de las quals té un sol àtom d’espessor, amb les capes unides entre sí per dèbils forces electrostàtiques de van-der-Waals. Seleccionant el tipus i seqüència de capes de material unides d’aquesta manera, es poden triar i modificar les característiques elèctriques, magnètiques i òptiques de forma específica. Tanmateix, encara no s’ha aconseguit la deposició homogènia a escala de les capes individuals de van-der-Waals que tenen propietats ferromagnètiques. Tot i això, és precisament aquest tipus de magnetisme a major escala el que és particularment important per a vàries aplicacions potencials, com per exemple, per una nova forma de memòria no volàtil.
Un equip internacional de l’Institut Max Planck de Física de Microestructures a Halle, Alemanya, del Sincrotró ALBA i del Helmholtz-Zentrum Berlin ha aconseguit per primera vegada crear un material bidimensional ferromagnètic uniforme i demostrar que també poden existir ferromagnets bidimensionals amb la, fins ara, esquiva anisotropia magnètica en el pla. A través d’una anàlisi precisa de la dependència a la temperatura de la magnetització per derivar els exponents crítics, ha estat possible concloure que aquest és un primer cas de l’anomenada classe d’universalitat de ferromagnets bidimensionals XY.
Una capa quasi flotant de crom i clor
Els investigadors han emprat clorur de crom (CrCl3) com a material, que s’assembla al compost corresponent fet de crom i iode en estructura, però pot ser considerablement més robust. L’equip de Halle va depositar a macroescala una capa monoatòmica d’aquest material sobre un substrat de carbur de silici recobert de grafè utilitzant epitàxia de feix molecular. El propòsit del grafè era reduir la interacció entre el clorur de crom i el carbur de silici i així evitar que el substrat influís en les propietats de la capa monoatòmica de CrCl3. Aquesta va ser la clau per accedir a l’esquiva anisotropia magnètica de pla”, explica el Dr. Amilcar Bedoya-Pinto, investigador del grup del professor Stuart Parkin a l’Institut Max Planck de Halle. "Bàsicament, vam obtenir una capa ultrafina que flotava quasi lliurement, només estava unida a la capa intermèdia de grafè per forces dèbils de van-der-Waals".
L’objectiu de l’equip científic era respondre com es manifesta l’ordre magnètic en el clorur de crom quan consta d’una sola capa monoatòmica. En la seva forma tridimensional normal, la substància es antiferromagnètica. A resultes d’això, els moments magnètics dels àtoms s’orienten en direccions oposades en cada capa, cosa que fa que el material sembli no magnètic. Les consideracions teòriques fins ara suggerien que l’ordre magnètic es perd o exhibeix una magnetització convencional dèbil quan el material es redueix a una sola capa atòmica.
Mesures clau de dicroisme circular magnètic de raigs X
Tot i això, ara els científics han aconseguit refutar aquesta teoria en observar en detall les propietats magnètiques del material 2D. Per fer-ho, van usar les capacitats úniques que brinden les línies de llum BOREAS d’ALBA i VEKMAG a BESSY II, on és possible investigar mostres magnètiques usant raigs X suaus en un camp magnètic fort i a temperatures properes al zero absolut. Utilitzant una tècnica coneguda com dicroisme circular magnètic de raigs X és possible realitzar mesures magnètiques amb major precisió i confiabilitat que la magnetometria convencional (SQUID), disponible en els laboratoris, a l’explotar l’especificitat de l’element habilitada per la radiació de sincrotró per detectar la petita senyal de la radiació de la fina capa atòmica amb un fons mínim. Això va permetre als membres de l’equip de Halle determinar l’orientació de moments magnètics individuals i distingir amb precisió entre àtoms de crom i clor.
Durant les mesures, els investigadors van veure com es formava un ordren ferromagnètic al material bidimensional per sota d’una determinada temperatura, el que es coneix com a temperatura de Curie. “En la capa monoatòmica de clorur de crom, va tenir lloc una característica transició de fase dels imants d’anisotropia magnètica en el pla que mai abans s’havia observat en un material 2D d’aquest tipus”, informa Bedoya-Pinto.
A tota vela pel desenvolupament de l’espintrònica
El descobriment no només ofereix nous coneixements sobre el comportament magnètic de materials bidimensionals. “Ara també tenim una excel·lent plataforma per explorar una varietat de fenòmens físics que només existeixen en imants bidimensionals”, es complau de dir Bedoya-Pinto; com el transport superfluid (sense pèrdues) d’espín, que es una espècie de moment intrínsec angular dels electrons i altres partícules. Aquests són la base d’una nova forma de processament de dades que, a diferència de l’electrònica convencional, utilitza moments magnètics en lloc de càrregues elèctriques. Coneguda com espintrònica, actualment està revolucionant l’emmagatzematge de dades i el processament de la informació.
Referència: Amilcar Bedoya-Pinto, Jing-Rong Ji, Avanindra Pandeya, Pierluigi Gargiani, Manuel Valvidares, Paolo Sessi, James Taylor, Florin Radu, Kai Chang and Stuart S.P. Parkin. Intrinsic 2D-XY ferromagnetism in a van der Waals monolayer. Science (2021). DOI: 10.1126/science.abd5146
Adaptació de la noticia original del HZB: https://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/news_seite?nid=23222;sprache=en;seitenid=50730
Amb la col·laboració de la Fundació Espanyola per a la Ciència i la Tecnologia. El Sincrotró ALBA forma part de la xarxa d'Unitats de Cultura Científica i de la Innovació (UCC+i) de la Fundació Espanyola per a la Ciència i la Tecnologia (FECYT) i ha rebut suport a través del projecte FCT-20-15798.
