p Pesquisadores liderados pelo Professor Pablo Jarillo-Herrero do Departamento de Física do MIT no ano passado mostraram que camadas rotativas de grafeno hexagonalmente estruturado em um "ângulo mágico" particular poderiam mudar as propriedades eletrônicas do material de um estado isolante para um estado supercondutor. Agora, pesquisadores do mesmo grupo e seus colaboradores demonstraram que em um material ultrafino diferente que também apresenta uma estrutura atômica em forma de favo de mel - tricloreto de cromo (CrCl ₃ ) - eles podem alterar as propriedades magnéticas do material mudando a ordem de empilhamento das camadas. p Os pesquisadores retiraram camadas bidimensionais (2-D) de tricloreto de cromo usando fita adesiva, da mesma forma que os pesquisadores retiraram o grafeno do grafite. Em seguida, eles estudaram as propriedades magnéticas do tricloreto de cromo 2-D usando tunelamento de elétrons. Eles descobriram que o magnetismo é diferente em cristais 2-D e 3-D devido a diferentes arranjos de empilhamento entre átomos em camadas adjacentes.

p Em altas temperaturas, cada átomo de cromo no tricloreto de cromo tem um momento magnético que flutua como uma minúscula agulha de bússola. Experimentos mostram que conforme a temperatura cai abaixo de 14 kelvins (-434,47 graus Fahrenheit), profundamente na faixa de temperatura criogênica, esses momentos magnéticos congelam em um padrão ordenado, apontando em direções opostas em camadas alternadas (antiferromagnetismo). A direção magnética de todas as camadas de tricloreto de cromo pode ser alinhada pela aplicação de um campo magnético. Mas os pesquisadores descobriram que em sua forma 2-D, esse alinhamento precisa de uma força magnética 10 vezes mais forte do que no cristal 3-D. Os resultados foram recentemente publicados online em Física da Natureza .

p "O que estamos vendo é que é 10 vezes mais difícil alinhar as camadas no limite fino em comparação com o volume, que medimos usando tunelamento de elétrons em um campo magnético, "diz a estudante de pós-graduação em física do MIT, Dahlia R. Klein, bolsista de pós-graduação da National Science Foundation e um dos principais autores do artigo. Os físicos chamam a energia necessária para alinhar a direção magnética das camadas opostas de interação de troca entre camadas. "Outra maneira de pensar nisso é que a interação de troca entre camadas é o quanto as camadas adjacentes querem ser anti-alinhadas, "O colega autor principal e pós-doutorado do MIT David MacNeill sugere.

p Os pesquisadores atribuem essa mudança de energia ao arranjo físico ligeiramente diferente dos átomos no cloreto de cromo 2-D. "Os átomos de cromo formam uma estrutura em favo de mel em cada camada, então basicamente empilhando os favos de mel de maneiras diferentes, "Klein diz." O importante é que estamos provando que os pedidos magnéticos e de empilhamento estão fortemente ligados nesses materiais. "

p "Nosso trabalho destaca como as propriedades magnéticas dos ímãs 2-D podem diferir substancialmente de suas contrapartes 3-D, "diz o autor sênior Pablo Jarillo-Herrero, o Cecil e Ida Green Professor de Física. "Isso significa que agora temos uma nova geração de materiais magnéticos altamente sintonizáveis, com implicações importantes para novos experimentos de física fundamental e aplicações potenciais em spintrônica e tecnologias de informação quântica. "

p As camadas são muito fracamente acopladas nesses materiais, conhecidos como ímãs de van der Waals, que é o que facilita a remoção de uma camada do cristal 3-D com fita adesiva. "Assim como com o grafeno, os laços dentro das camadas são muito fortes, mas existem apenas interações muito fracas entre as camadas adjacentes, para que você possa isolar amostras de poucas camadas usando fita, "Diz Klein.

p MacNeill e Klein cultivaram as amostras de cloreto de cromo, dispositivos nanoeletrônicos construídos e testados, e analisou seus resultados. Os pesquisadores também descobriram que, à medida que o tricloreto de cromo é resfriado da temperatura ambiente à temperatura criogênica, Os cristais 3-D do material passam por uma transição estrutural que os cristais 2-D não sofrem. Essa diferença estrutural é responsável pela maior energia necessária para alinhar o magnetismo nos cristais 2-D.

p Os pesquisadores mediram a ordem de empilhamento das camadas 2-D por meio do uso da espectroscopia Raman e desenvolveram um modelo matemático para explicar a energia envolvida na mudança da direção magnética. O co-autor e pós-doutorado da Universidade de Harvard Daniel T. Larson diz que analisou um gráfico de dados Raman que mostraram variações na localização do pico com a rotação da amostra de tricloreto de cromo, determinar que a variação foi causada pelo padrão de empilhamento das camadas. "Tirando proveito dessa conexão, Dahlia e David conseguiram usar a espectroscopia Raman para aprender detalhes sobre a estrutura cristalina de seus dispositivos que seriam muito difíceis de medir de outra forma, "Larson explica." Eu acho que esta técnica será uma adição muito útil à caixa de ferramentas para estudar estruturas e dispositivos ultrafinos. " professor de física Riccardo Comin, ambos co-autores do artigo.

p "Esta pesquisa realmente destaca a importância da ordem de empilhamento na compreensão de como esses ímãs de van der Waals se comportam no limite fino, "Diz Klein.

p MacNeill acrescenta, "A questão de por que os cristais 2-D têm propriedades magnéticas diferentes vem nos intrigando há muito tempo. Ficamos muito animados para finalmente entender por que isso está acontecendo, e é por causa da transição estrutural. "

p Este trabalho se baseia em dois anos de pesquisa anterior em ímãs 2-D em que o grupo de Jarillo-Herrero colaborou com pesquisadores da Universidade de Washington, liderado pelo professor Xiaodong Xu, que detém funções conjuntas nos departamentos de Ciência e Engenharia de Materiais, Física, e Engenharia Elétrica e de Computação, e outros. Trabalho deles, que foi publicado em um Natureza carta em junho de 2017, mostrou pela primeira vez que um material diferente com uma estrutura de cristal semelhante - triiodeto de cromo (CrI ₃ ) —Também se comportou de maneira diferente na forma 2-D e em massa, com amostras de poucas camadas mostrando antiferromagnetismo, ao contrário dos cristais 3-D ferromagnéticos.

p O grupo de Jarillo-Herrero passou a se apresentar em maio de 2018 Ciência papel que triiodeto de cromo exibiu uma mudança brusca na resistência elétrica em resposta a um campo magnético aplicado em baixa temperatura. Este trabalho demonstrou que o tunelamento de elétrons é uma sonda útil para estudar o magnetismo de cristais 2-D. Klein e MacNeill também foram os primeiros autores deste artigo.

p O professor da Universidade de Washington, Xiaodong Xu, diz sobre as últimas descobertas, “O trabalho apresenta uma abordagem muito inteligente, a saber, as medições de tunelamento combinadas com espectroscopia Raman resolvida por polarização. O primeiro é sensível ao antiferromagnetismo interlayer, enquanto o último é uma sonda sensível de simetria de cristal. Esta abordagem oferece um novo método para permitir que outras pessoas na comunidade descubram as propriedades magnéticas dos ímãs em camadas. "

p "Este trabalho está em sintonia com vários outros trabalhos publicados recentemente, "Xu diz." Juntos, esses trabalhos revelam a oportunidade única fornecida por imãs van der Waals em camadas, a saber, a ordem magnética de engenharia por meio do controle da ordem de empilhamento. É útil para a criação arbitrária de novos estados magnéticos, bem como para aplicação potencial em dispositivos magnéticos reconfiguráveis. " p Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.