Figura 1:Spins em jogo. Os spins dos elétrons em diferentes materiais podem ser restringidos em certas orientações. O modelo de Ising lida com spins que estão apontando para cima ou para baixo. O modelo XY explica o comportamento dos materiais onde os spins são livres para se moverem apenas nos eixos xey, e o modelo de Heisenberg é sobre spins que apontam em qualquer direção, muito parecido com os ponteiros do relógio. Crédito:Institute for Basic Science
Pesquisadores do Center for Correlated Electron Systems, dentro do Institute for Basic Science (IBS) na Coreia do Sul, em colaboração com a Universidade Sogang e a Universidade Nacional de Seul, relatou a primeira observação experimental de um material antiferromagnético do tipo XY, cuja ordem magnética se torna instável quando é reduzida à espessura de um átomo. Publicado em Nature Communications , essas descobertas são consistentes com as previsões teóricas que datam da década de 1970.
Dimensionalidade em física é um conceito importante que determina a natureza da matéria. A descoberta do grafeno abriu as portas do mundo 2-D:um lugar onde ter um átomo ou dois átomos de espessura faz a diferença. Desde então, vários cientistas se interessaram em experimentar materiais 2-D, incluindo materiais magnéticos.
Os materiais magnéticos são caracterizados por seu comportamento de spin. Os spins podem ser alinhados paralelos ou antiparalelos entre si, resultando em ferromagnetos ou antiferromagnetos, respectivamente. Além disso, todas as classes de materiais podem, em princípio, pertencem a três modelos diferentes de acordo com alguma compreensão fundamental da física:Ising, XY ou Heisenberg. O modelo XY explica o comportamento de materiais cujos spins se movem apenas em um plano que consiste nos eixos xey.
O comportamento do giro pode mudar drasticamente ao cortar o ímã em seu nível mais fino, como os materiais 2-D são mais sensíveis às flutuações de temperatura, o que pode destruir o padrão de giros bem alinhados. Quase 50 anos atrás, John M. Kosterlitz e David J. Thouless, e Vadim Berezinskii independentemente, descrito teoricamente que os modelos 2-D XY não sofrem uma transição de fase magnética normal em baixas temperaturas, mas uma forma muito incomum, mais tarde chamada de transição BKT. Eles perceberam que as flutuações quânticas de spins individuais são muito mais perturbadoras no mundo 2-D do que no mundo 3-D, o que pode levar a rotações com um padrão de vórtice. Kosterlitz e Thouless receberam o Prêmio Nobel de Física em 2016.
Ao longo dos anos, materiais ferromagnéticos foram amplamente analisados, mas a pesquisa em materiais antiferromagnéticos não progrediu com a mesma velocidade. A razão é que estes últimos precisam de diferentes técnicas experimentais. “Apesar do interesse e dos fundamentos teóricos, ninguém jamais experimentou isso. A principal razão para isso é que é muito difícil medir em detalhes as propriedades magnéticas de um material antiferromagnético tão fino, "diz PARK Je-Geun, principal autor da publicação.
Figura 2:A comparação entre NiPS3 em massa e monocamada em diferentes temperaturas. Bulk (a) e monocamada (b) NiPS3 revelam uma assinatura diferente nos espectros Raman. O grande pico em cerca de 550 cm-1 na amostra de um átomo de espessura é um sinal de que a ordem magnética está perdida. Crédito:Institute for Basic Science
Os pesquisadores envolvidos neste estudo se concentraram em uma classe de metais de transição que são adequados para estudar a ordenação antiferromagnética em 2-D. Entre eles, o trissulfeto de níquel e fósforo (NiPS3) corresponde ao do tipo XY e é antiferromagnético em baixas temperaturas. É também um material de van der Waals, caracterizado por fortes ligações intra-camada, e conexões inter-camadas facilmente quebráveis. Como resultado, NiPS3 pode ser preparado em várias camadas, com uma técnica chamada deposição química de vapor, e então esfoliado até a monocamada, permitindo examinar a correlação entre a ordenação magnética e o número de camadas.
A equipe analisou e comparou NiPS3 em massa e como monocamada com espectroscopia Raman, uma técnica que permite determinar o número de camadas e propriedades físicas. Eles notaram que seu magnetismo muda de acordo com a espessura:a ordem dos spins é suprimida no nível da monocamada.
"O interessante é a mudança drástica entre a bicamada e a monocamada. À primeira vista, pode não haver uma grande diferença entre os dois, mas o efeito de se mover de duas dimensões para três dimensões faz com que suas propriedades físicas mudem abruptamente, "explica Park.
Este é outro exemplo de materiais magnéticos dependentes da espessura. Entre eles, triiodeto de cromo (CrI 3 ) é ferromagnético como monocamada, anti-ferromagnético como bicamada, e de volta ao ferromagnético como tricamada. E em contraste com o tritiohipofosfato de ferro (FePS 3 ), para o qual os cientistas do IBS do grupo do Prof. Park descobriram em 2016 que ele mantém sua ordem antiferromagnética intacta até a monocamada.
O grupo também está investigando o modelo de Heisenberg, e novos fenômenos decorrentes da combinação de materiais antiferromagnéticos com outros.
