Os materiais magnéticos formam a base das tecnologias que desempenham papéis cada vez mais importantes em nossas vidas hoje, incluindo detecção e armazenamento de dados em disco rígido. Mas, à medida que nossos sonhos inovadores despertam desejos de dispositivos cada vez menores e mais rápidos, pesquisadores estão buscando novos materiais magnéticos que sejam mais compactos, mais eficiente e pode ser controlado usando métodos confiáveis.

Uma equipe liderada pela Universidade de Washington e pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts descobriu pela primeira vez o magnetismo no mundo 2-D das monocamadas, ou materiais que são formados por uma única camada atômica. As evidências, publicado em 8 de junho na revista Natureza , demonstrar que as propriedades magnéticas podem existir mesmo no reino 2-D - abrindo um mundo de aplicações potenciais.

"O que descobrimos aqui é um material 2-D isolado com magnetismo intrínseco, e o magnetismo do sistema é altamente robusto, "disse Xiaodong Xu, um professor de física da UW e de ciência e engenharia de materiais, e membro do Instituto de Energia Limpa da UW. "Prevemos que novas tecnologias de informação podem surgir com base nesses novos ímãs 2-D."

Xu e o professor de física do MIT Pablo Jarillo-Herrero lideraram a equipe internacional de cientistas que provaram que o material - triiodeto de cromo, ou CrI3 - tem propriedades magnéticas em sua forma monocamada.

Outros grupos, incluindo o co-autor Michael McGuire no Oak Ridge National Laboratory, já havia mostrado que CrI3 - em suas múltiplas camadas, 3-D, forma de cristal em massa - é ferromagnética. Em materiais ferromagnéticos, os "spins" dos elétrons constituintes, análogo a minúsculo, ímãs subatômicos, alinhe na mesma direção, mesmo sem um campo magnético externo.

Mas nenhuma substância magnética 3-D reteve anteriormente suas propriedades magnéticas quando reduzida a uma única folha atômica. Na verdade, materiais monocamada podem demonstrar propriedades únicas não vistas em suas camadas múltiplas, Formulários 3D.

"Você simplesmente não pode prever com precisão o que é elétrico, magnético, as propriedades físicas ou químicas de um cristal de monocamada 2-D serão baseadas no comportamento de sua contraparte em massa 3-D, "disse o co-autor principal e estudante de doutorado da UW, Bevin Huang.

Os átomos em materiais de monocamada são considerados "funcionalmente" bidimensionais porque os elétrons só podem viajar dentro da folha atômica, como peças de um tabuleiro de xadrez.

Para descobrir as propriedades do CrI3 em sua forma 2-D, a equipe usou fita adesiva para raspar uma monocamada de CrI3 da maior, Forma de cristal 3-D.

"Usar fita adesiva para esfoliar uma monocamada de seu cristal em massa 3-D é surpreendentemente eficaz, "disse a co-autora principal e estudante de doutorado da UW, Genevieve Clark." Simples assim, técnica de baixo custo foi usada pela primeira vez para obter grafeno, a forma 2-D de grafite, e tem sido usado com sucesso desde então com outros materiais. "

Em materiais ferromagnéticos, os spins alinhados dos elétrons deixam uma assinatura reveladora quando um feixe de luz polarizada é refletido na superfície do material. Os pesquisadores detectaram essa assinatura no CrI3 usando um tipo especial de microscopia. É o primeiro sinal definitivo de ferromagnetismo intrínseco em uma monocamada isolada.

Surpreendentemente, em flocos CrI3 com duas camadas de espessura, a assinatura óptica desapareceu. Isso indica que os spins do elétron estão alinhados opostamente uns aos outros, um termo conhecido como ordenação anti-ferromagnética.

Ferromagnetismo retornou em CrI3 de três camadas. Os cientistas precisarão conduzir mais estudos para entender por que CrI3 exibiu essas fases magnéticas dependentes de camadas notáveis. Mas para Xu, essas são apenas algumas das propriedades verdadeiramente únicas reveladas pela combinação de monocamadas.

"As monocamadas 2-D sozinhas oferecem oportunidades empolgantes para estudar o controle elétrico drástico e preciso das propriedades magnéticas, que tem sido um desafio de realizar usando seus cristais em massa 3-D, "disse Xu." Mas uma oportunidade ainda maior pode surgir quando você empilhar monocamadas com diferentes propriedades físicas juntas. Lá, você pode obter fenômenos ainda mais exóticos não vistos apenas na monocamada ou no cristal 3-D em massa. "

Grande parte dos centros de pesquisa de Xu na criação de heteroestruturas, que são pilhas de dois materiais ultrafinos diferentes. Na interface entre os dois materiais, sua equipe busca novos fenômenos físicos ou novas funções para permitir aplicações potenciais em computação e tecnologias de informação.

Em um avanço relacionado, Grupo de pesquisa de Xu, O professor de física e engenharia elétrica da UW Kai-Mei Fu liderou uma equipe de colegas publicou um artigo em 31 de maio em Avanços da Ciência mostrando que uma forma ultrafina de CrI3, quando empilhado com uma monocamada de disseleneto de tungstênio, cria uma interface de "heteroestrutura" ultralimpa com propriedades fotônicas e magnéticas únicas e inesperadas.

"Heteroestruturas representam a maior promessa de concretização de novas aplicações em computação, armazenamento de banco de dados, comunicações e outras aplicações que ainda não podemos compreender, "disse Xu.

Xu e sua equipe gostariam de investigar as propriedades magnéticas exclusivas dos ímãs 2-D e heteroestruturas que contêm uma monocamada ou bicamada de CrI3.