p No nanomundo, o magnetismo provou ser verdadeiramente surpreendente. Materiais magnéticos 2-D com apenas alguns átomos de espessura poderiam fornecer um substrato para eletrônicos pós-silício cada vez menores. Uma equipe de pesquisa internacional liderada por Park Je-Geun no Center for Correlated Electron Systems, dentro do Institute for Basic Science (IBS), acaba de publicar um artigo de Revisão de Perspectiva em Natureza apresentando as últimas conquistas e o potencial futuro dos materiais magnéticos 2-D van der Waals (vdW), que eram desconhecidos até seis anos atrás e recentemente atraíram a atenção mundial. p Os materiais VdW são feitos de pilhas de camadas ultrafinas unidas por ligações de van der Waals fracas. O sucesso do grafeno - material estelar de vdW - estimulou os cientistas a procurar outros cristais 2-D com camadas que podem ser alteradas, adicionado ou removido para introduzir novas propriedades físicas, como magnetismo.

p Como os materiais se tornam magnéticos?

p Cada elétron em um material atua como uma pequena bússola com seus próprios pólos norte e sul. A orientação dessas "agulhas de bússola" determina a magnetização. Mais especificamente, a magnetização surge do spin dos elétrons (momento magnético) e depende da temperatura. Um ferromagneto, como um imã de geladeira padrão, adquire suas propriedades magnéticas abaixo da temperatura de transição magnética - temperatura de Curie (Tc). Quando todos os momentos magnéticos estão alinhados, todas as "agulhas da bússola" apontam na mesma direção. Por contraste, outros materiais são antiferromagnéticos, o que significa que abaixo da temperatura de transição - chamada de temperatura de Neel (TN) - as "agulhas da bússola" apontam na direção oposta. Para temperaturas acima de Tc ou TN, os momentos atômicos individuais não estão alinhados, e os materiais perdem suas propriedades magnéticas.

p Contudo, a situação pode mudar drasticamente com a redução de materiais à escala nanométrica 2-D. Uma fatia ultrafina de um ímã de geladeira provavelmente mostrará características diferentes do objeto inteiro. Isso ocorre porque os materiais 2-D são mais sensíveis às flutuações de temperatura, que pode destruir o padrão de "agulhas de bússola" bem alinhadas. Por exemplo, ímãs em massa convencionais, como ferro e níquel, têm um Tc muito mais baixo em 2-D do que em 3-D. Em outros casos, o magnetismo em 2-D realmente depende da espessura:triiodeto de cromo (CrI3) é ferromagnético como monocamada, anti-ferromagnético como bicamada, e novamente ferromagnético como tricamada. Contudo, existem outros exemplos, como o tritiohipofosfato de ferro (FePS3), que mantém sua ordenação antiferromagnética intacta em todo o caminho até a monocamada.

p A chave para a produção de materiais magnéticos 2-D é domar suas flutuações de spin. Os materiais bidimensionais com uma direção de rotação preferencial (anisotropia magnética) têm maior probabilidade de serem magnéticos. A anisotropia também pode ser introduzida artificialmente pela adição de defeitos, dopantes magnéticos ou brincando com a interação entre o spin do elétron e o campo magnético gerado pelo movimento do elétron ao redor do núcleo. Contudo, todos esses são métodos tecnicamente desafiadores.

p Park explica com uma analogia:"É como supervisionar um grupo de crianças inquietas e malcomportadas, onde cada criança representa uma bússola atômica. Você quer alinhá-los, mas eles preferem jogar. É uma tarefa difícil, como qualquer professor de jardim de infância lhe diria. Você precisaria conhecer com precisão os movimentos de cada um deles no tempo e no espaço. E para controlá-los, você precisa responder imediatamente, o que é tecnicamente muito difícil. "

p Várias questões fundamentais podem ser respondidas graças aos materiais vdW magnéticos 2-D. Em particular, Os materiais vdW são um ambiente de teste para encontrar evidências experimentais de alguns modelos físico-matemáticos que ainda permanecem sem solução. Esses modelos explicam o comportamento da transição magnética em relação ao spin. Em particular, o modelo de Ising descreve spins ("agulhas de bússola") restritas a apontar para cima ou para baixo, perpendicular ao plano. O modelo XY permite que os giros apontem para qualquer direção do plano, e finalmente, no modelo de Heisenberg, os giros são livres para apontar em qualquer x, y, direção z.

p Em 2016, Os cientistas do IBS do grupo do Prof. Park encontraram a primeira prova experimental da solução Onsager para o modelo de Ising. Eles descobriram que o Tc do FePS3 é 118 Kelvin, ou menos 155 graus Celsius, em ambos 3-D e 2-D. Contudo, os modelos XY e Heisenberg em 2-D encontraram mais barreiras experimentais, e ainda faltam provas depois de 50 anos.

p "A descoberta do grafeno me levou a pensar se eu poderia introduzir magnetismo em materiais 2-D semelhantes ao grafeno, "explica Park." Os físicos herdaram o desafio de estudar e explicar as propriedades físicas do mundo bidimensional. Apesar de sua importância acadêmica e aplicabilidade, este campo é muito pouco explorado, " ele adiciona.

p Os cientistas também estão interessados ​​em explorar maneiras de controlar e manipular eletricamente as propriedades magnéticas desses materiais, opticamente e mecanicamente. Sua magreza os torna mais suscetíveis a estímulos externos. É uma limitação, mas também pode ser um potencial. Por exemplo, magnetismo também pode ser induzido ou ajustado por tensão, ou organizando as camadas sobrepostas em um padrão específico, conhecido como padrão moiré.

p Aplicações esperadas de materiais magnéticos vdW

p Embora várias questões fundamentais ainda estejam esperando por uma resposta, espera-se que controlar e modificar os spins dos elétrons e estruturas magnéticas leve a várias saídas desejáveis. Esse Natureza A Revisão de Perspectiva lista possíveis direções de pesquisa para o futuro.

p Um dos aplicativos mais procurados é o uso de spin para armazenar e codificar informações. Os giros controlados podem substituir os atuais pratos do disco rígido, e até mesmo se tornar a chave para a computação quântica. Em particular, spintrônica visa controlar o spin do elétron. Materiais bidimensionais são bons candidatos, pois exigiriam menos consumo de energia em comparação com suas contrapartes 3-D. Uma hipótese interessante é armazenar memória de longo prazo em padrões de pólos magnéticos orientados chamados skyrmions em materiais magnéticos.

p Potencialmente, materiais vdW podem revelar algum estado exótico da matéria, como líquidos de spin quântico, um estado hipotético da matéria caracterizado por "agulhas de bússola" desordenadas, mesmo em temperaturas extremamente baixas, e espera-se que abrigue os evasivos férmions de Majorana, partículas que foram teorizadas, mas nunca observado.

p Além disso, embora a supercondutividade e o magnetismo não possam ser facilmente acomodados no mesmo material, mexer na ordem dos giros poderia produzir novos, supercondutores não convencionais.

p Por último, embora a lista de materiais vdW tenha crescido muito rapidamente nos últimos anos, menos de 10 materiais vdW magnéticos foram descobertos até agora. Engenharia de mais materiais, especialmente materiais que podem ser usados ​​em temperatura ambiente, também é um objetivo importante dos físicos da matéria condensada.