Todos os elementos estão lá para começar, por assim dizer; é apenas uma questão de descobrir do que eles são capazes - sozinhos ou juntos. Para o laboratório de Leslie Schoop, uma investigação recente descobriu um composto em camadas com um trio de propriedades que não existia anteriormente em um material.

Com uma equipe interdisciplinar internacional, Schoop, professor assistente de química, e Postdoctoral Research Associate Shiming Lei, publicou um artigo na semana passada em Avanços da Ciência relatando que o tritelureto de gadolínio de van der Waals (GdTe3) exibe a maior mobilidade eletrônica entre todos os materiais magnéticos em camadas conhecidos. Além disso, tem ordem magnética, e pode ser facilmente esfoliado.

Combinado, essas propriedades o tornam um candidato promissor para novas áreas, como dispositivos magnéticos twistrônicos e spintrônicos, bem como avanços em armazenamento de dados e design de dispositivos.

A equipe Schoop descobriu inicialmente essas características únicas no início de 2018, logo após o início do projeto. Seu primeiro sucesso foi demonstrar que o GdTe3 é facilmente esfolável até flocos ultrafinos abaixo de 10 nm. Subseqüentemente, a equipe passou dois anos refinando a pureza dos cristais do material a um estado que só serviu para amplificar os resultados. O laboratório já enviou uma série de amostras para pesquisadores ansiosos para explorar como o composto se encaixa em uma categoria anteriormente ocupada apenas por fósforo preto e grafite. A alta mobilidade é rara em materiais em camadas.

As propriedades detalhadas no estudo, descritos como oscilações quânticas ou "meneios" que podem ser medidos, são tão pronunciados que foram observados sem as sondas e equipamentos especiais geralmente encontrados em laboratórios nacionais.

"Usualmente, se você ver essas oscilações, isso depende parcialmente da qualidade de sua amostra. Nós realmente nos sentamos e fizemos os melhores cristais possíveis. Ao longo de dois anos, melhoramos a qualidade, de modo que essas oscilações se tornaram cada vez mais dramáticas, "disse Schoop." Mas as primeiras amostras já os mostravam, mesmo que com os primeiros cristais que crescemos não soubéssemos exatamente o que estávamos fazendo, "Schoop disse.

"Foi muito empolgante para nós. Vimos esses resultados de elétrons altamente móveis neste material que não esperávamos. É claro que esperávamos bons resultados. Mas eu não esperava que fosse tão dramático, "Schoop acrescentou.

Lei caracterizou a notícia como um "avanço" em grande parte por causa da alta mobilidade. "Adicionar este material ao zoológico de materiais 2-D van der Waals é como adicionar um ingrediente recém-descoberto para cozinhar, que permite novos sabores e pratos, " ele disse.

"Então, primeiro, você pega esses materiais. O próximo passo é identificar o potencial:qual é a função do dispositivo que você pode fazer a partir dele? Qual é o desempenho que podemos melhorar ainda mais como uma próxima geração de materiais nesta linha? "

Um tritelurido de terras raras, GdTe3 tem uma mobilidade de portadora acima de 60, 000 cm2V-1s-1. Isso significa que se um campo de um volt por cm for aplicado ao material, os elétrons se movem com uma velocidade líquida de 60, 000 cm por segundo. Comparar, as mobilidades em outros materiais magnéticos costumam ser de apenas algumas centenas de cm2V-1s-1.

"A alta mobilidade é importante porque isso significa que os elétrons dentro dos materiais são capazes de viajar em altas velocidades com espalhamento mínimo, reduzindo assim a dissipação de calor de quaisquer dispositivos eletrônicos construídos a partir dele, "disse Lei.

Os materiais de Van der Waals - nos quais as camadas são unidas por uma força fraca - são os compostos originais dos materiais 2-D. Os pesquisadores estão estudando-os para a fabricação de dispositivos de última geração e também para uso em twistrônicos, descrito pela primeira vez na comunidade científica há apenas alguns anos. Com twistronics, as camadas de materiais 2-D estão desalinhadas ou torcidas quando ficam umas sobre as outras. O desalinhamento criterioso da estrutura do cristal pode alterar a parte elétrica, propriedades ópticas e mecânicas de maneiras que podem render novas oportunidades para aplicações.

Além disso, foi descoberto há cerca de 15 anos que os materiais de van der Waals podiam ser esfoliados até a camada mais fina usando algo tão comum como fita adesiva. Essa revelação gerou muitos novos desenvolvimentos na física. Finalmente, Materiais 2-D foram revelados apenas recentemente para exibir ordem magnética, em que os spins dos elétrons estão alinhados entre si. Todos os dispositivos "finos" - discos rígidos, por exemplo - baseiam-se em materiais ordenados magneticamente de maneiras diferentes que produzem eficiências diferentes.

"Encontramos este material onde os elétrons são disparados como em uma rodovia - perfeito, muito facilmente, velozes, "disse Schoop." Ter esta ordem magnética adicional e o potencial de ir para duas dimensões é apenas algo que era exclusivamente novo para este material. "

Os resultados do estudo são uma forte demonstração para o jovem laboratório de Schoop, estabelecido há pouco mais de dois anos. Eles são o produto de uma colaboração com o Princeton Center for Complex Materials, um Centro de Engenharia e Ciência de Pesquisa de Materiais financiado pela NSF, e co-autores Nai Phuan Ong, Sanfeng Wu, e Ali Yazdani, todos professores do Departamento de Física de Princeton.

Para compreender totalmente as propriedades eletrônicas e magnéticas do GdTe3, a equipe também colaborou com o Boston College para testes de esfoliação, e o Argonne National Laboratory e o Max Planck Institute for Solid State Research para entender a estrutura eletrônica do material usando radiação síncroton.

De uma perspectiva mais ampla, o que mais satisfez Schoop no estudo foi a "intuição química" que levou a equipe a iniciar a investigação com GdTe3 em primeiro lugar. Eles suspeitaram que haveria resultados promissores. Mas o fato de que GdTe3 os cedeu tão rápida e enfaticamente é um sinal, disse Schoop, que a química tem contribuições significativas a dar ao campo da física do estado sólido.

"Somos um grupo do departamento de química e descobrimos que este material deve ser de interesse para elétrons altamente móveis com base em princípios químicos, "disse Schoop." Estávamos pensando em como os átomos estavam dispostos nesses cristais e como eles deveriam estar ligados uns aos outros, e não com base em meios físicos, que muitas vezes é entender a energia dos elétrons com base em hamiltonianos.

"Mas adotamos uma abordagem muito diferente, muito mais relacionado ao desenho de imagens, como os químicos fazem, relacionado a orbitais e coisas assim, "ela disse." E nós tivemos sucesso com essa abordagem. É uma abordagem única e diferente ao pensar em materiais interessantes. "