Pode não parecer que um material tão fino quanto um átomo pode esconder qualquer surpresa, mas uma equipe de pesquisa liderada por cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) descobriu uma propriedade magnética inesperada em um material bidimensional.

Os cientistas descobriram que um cristal 2-D van der Waals, parte de uma classe de material cujas camadas atomicamente finas podem ser removidas uma a uma com fita adesiva, possuía um ferromagnetismo intrínseco.

A descoberta, a ser publicado em 26 de abril na revista Natureza , pode ter implicações importantes para uma ampla gama de aplicações que dependem de materiais ferromagnéticos, como memória em nanoescala, dispositivos spintrônicos, e sensores magnéticos.

"Esta é uma descoberta empolgante, "disse o investigador principal do estudo, Xiang Zhang, cientista sênior do corpo docente da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e professor da UC Berkeley. "Este experimento apresenta evidências inflamadas de um ímã atomicamente fino - e atomicamente plano, o que surpreendeu muitas pessoas. Ele abre a porta para explorar a física de spin fundamental e aplicações spintrônicas em dimensões baixas. "

O estudo aborda uma questão de longa data na física quântica sobre se o magnetismo sobreviveria quando os materiais se reduzissem a duas dimensões. Por meio século, o teorema de Mermin-Wagner abordou esta questão, afirmando que se os materiais 2-D carecem de anisotropia magnética, um alinhamento direcional de spins de elétrons no material, pode não haver ordem magnética.

"Interessantemente, descobrimos que a anisotropia magnética é uma propriedade inerente ao material 2-D que estudamos, e por causa dessa característica, fomos capazes de detectar o ferromagnetismo intrínseco, "disse o autor principal do estudo, Cheng Gong, um pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Zhang.

Forças de Van der Waals, em homenagem a um cientista holandês, refere-se a forças intermoleculares de atração que não surgem das ligações covalentes ou iônicas típicas que mantêm as moléculas intactas. Essas forças quânticas são usadas pelas lagartixas enquanto elas correm sem esforço ao longo das paredes e tetos.

Os cristais de Van der Waals descrevem materiais nos quais as camadas 2-D não estão conectadas umas às outras por meio de ligações tradicionais, permitindo que sejam facilmente esfoliados com fita adesiva. Pesquisa em grafeno, o material de van der Waals mais conhecido, ganhou o Prêmio Nobel de Física em 2010.

"É como as páginas de um livro, "disse Gong." As páginas podem ser empilhadas umas sobre as outras, mas as forças que ligam uma página a outra são muito mais fracas do que as forças no plano que mantêm uma única folha intacta. "

Gong estima que, para este estudo, ele descascou mais de 3, 000 flocos de telureto de cromo e germânio (Cr2Ge2Te6, ou CGT). Embora CGT tenha existido como um material a granel por décadas, os pesquisadores dizem que os flocos 2-D podem representar uma excitante nova família de cristais 2-D van der Waals.

"CGT também é um semicondutor, e o ferromagnetismo é intrínseco, "disse o co-autor sênior Jing Xia, Professor associado de física e astronomia da UC Irvine. "Isso o torna mais limpo para aplicações em memória e spintrônica."

Os pesquisadores detectam a magnetização de materiais atomicamente finos usando uma técnica chamada efeito magneto-óptico Kerr. O método envolve a detecção super-sensível da rotação da luz polarizada linearmente quando ela interage com os spins do elétron no material.

A chave para uma das descobertas mais surpreendentes do estudo é que a anisotropia magnética era muito pequena no material CGT. Isso permitiu aos pesquisadores controlar facilmente a temperatura na qual o material perde seu ferromagnetismo, conhecido como a transição ou temperatura de Curie.

"Esta é uma descoberta significativa, "disse Gong, "As pessoas acreditam que a temperatura de Curie é uma propriedade inerente de um material magnético e não pode ser alterada. Nosso estudo mostra que pode."

Os pesquisadores mostraram que podiam controlar a temperatura de transição do floco CGT usando campos magnéticos surpreendentemente pequenos de 0,3 tesla ou menos.

"Filmes finos de metais como o ferro, cobalto, e níquel, ao contrário dos materiais 2-D van der Waals, são estruturalmente imperfeitos e suscetíveis a vários distúrbios, que contribuem para uma anisotropia espúria enorme e imprevisível, "disse Gong." Em contraste, o CGT 2-D altamente cristalino e uniformemente plano, junto com sua pequena anisotropia intrínseca, permite que pequenos campos magnéticos externos projetem com eficácia a anisotropia, permitindo um controle de campo magnético sem precedentes de temperaturas de transição ferromagnética. "

Os autores do estudo também apontaram que uma característica marcante dos cristais de van der Waals é que eles podem ser facilmente combinados com materiais diferentes, sem restrições com base na compatibilidade estrutural ou química.

“As oportunidades de combinar diferentes materiais para desenvolver novas funcionalidades são atraentes, "disse o co-autor sênior Steven Louie, cientista sênior do corpo docente da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e professor de física da UC Berkeley. "Isso oferece uma grande flexibilidade no projeto de estruturas artificiais para diversas aplicações magneto-elétricas e magneto-ópticas."