p Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) descobriram uma característica surpreendente em ímãs bidimensionais (2-D), uma nova classe de materiais recebendo muita atenção. Sua descoberta é a primeira verificação de que um sinal que há muito se pensava ser devido a vibrações na rede - a estrutura do próprio material - é na verdade devido a uma onda de spins de elétrons. p Alguns materiais são compostos por camadas que interagem muito fracamente, que permite aos cientistas separar ou isolar camadas individuais e acessar atomicamente finas (na ordem de alguns nanômetros), Folhas 2-D. Por exemplo, o grafeno foi o primeiro material 2-D isolado da grafite. Quanto mais os cientistas aprendem sobre esses materiais 2-D, quanto mais perto eles estão de realizar aplicações potenciais, especialmente na eletrônica de última geração e até mesmo em informações quânticas.

p A equipe do NIST publicou seus resultados hoje em Revisão Física B .

p Os transistores são os blocos de construção de toda a eletrônica moderna, onde as informações são armazenadas e transferidas por meio do movimento dos elétrons. O fluxo desses elétrons resulta na geração de uma quantidade significativa de aquecimento, é por isso que os laptops esquentam com o uso prolongado.

p Uma perspectiva de resolver esse problema de calor é usar ondas de giros, chamados magnons, como o portador de informações em dispositivos, em vez de elétrons em movimento. Tecnologia futura baseada em magnons, ou "magnônica, "funcionaria idealmente com pouco ou nenhum aquecimento.

p O trabalho do NIST estabelece a base para aplicações futuras, estabelecendo uma técnica de medição para estudar a física fundamental dos magnons. A equipe do NIST diz que os engenheiros de dispositivos 2-D ficarão particularmente entusiasmados com a alta frequência em que o magnon é observado. Isso é importante para determinar a velocidade de comutação em dispositivos baseados em magnons potenciais (por exemplo, dispositivos que funcionam na faixa THz em vez de GHz).

p Uma abordagem única

p O estudo de materiais 2-D floresceu em seu próprio ramo da física da matéria condensada, mesmo que o primeiro material 2-D, grafeno, foi isolado apenas em 2004, disse a líder do projeto NIST, Angela Hight Walker. Esses materiais são chamados de 2-D porque, embora possam ter micrômetros de largura, eles são extremamente finos - finos como um único átomo ou 100, 000 vezes menor que um cabelo humano. Sua espessura em escala nanométrica permite mais personalização do que materiais 3-D, onde diferenças dramáticas podem ser vistas até mesmo entre uma e duas camadas do mesmo material.

p "Uma das coisas interessantes sobre a investigação desses materiais 2-D é que existem tantas maneiras diferentes de ajustá-los, "ou controlar seu comportamento, disse o físico do NIST Amber McCreary. "Por exemplo, porque eles são tão fisicamente flexíveis, os pesquisadores podem aplicar grandes quantidades de tensão para alterar suas propriedades, que é um mecanismo de ajuste que você não teria de uma forma mais espessa, material mais rígido. "

p O uso de materiais 2-D também permite que os cientistas criem heteroestruturas - sanduíches de materiais finos empilhados uns sobre os outros, camada por camada. As interações entre as diferentes camadas também criam um comportamento personalizável, por exemplo, fazendo com que o grafeno se torne supercondutor quando as camadas são giradas por algum "ângulo mágico" em relação umas às outras.

p Mas até recentemente, ninguém pensava que materiais em camadas poderiam ser magnéticos quando você reduzia seu tamanho até o limite 2-D. Então, apenas alguns anos atrás, descobriu-se que alguns deles poderiam, na verdade, mantém seu comportamento magnético em uma única camada, e o campo "explodiu com interesse, "Disse McCreary.

p Na esteira dessa descoberta, Hight Walker e McCreary imediatamente viram o potencial para investigar alguns desses materiais magnéticos 2-D usando seu sistema de espectroscopia Raman exclusivo.

p A espectroscopia Raman é uma técnica que sonda uma amostra com luz laser e, em seguida, mede como essa luz é espalhada pela amostra, revelando informações sobre um material 2-D, como sua estrutura, defeitos, doping, número de camadas e acoplamento entre as camadas, e mais. Os pesquisadores visualizam os dados que coletam como um espectro, uma representação gráfica de todas as frequências sendo medidas. Um espectro típico teria picos que representam um sinal forte em certas frequências de luz.

p Além de todos os recursos da espectroscopia Raman convencional, o sistema de engenharia personalizada do NIST adiciona a capacidade de rastrear simultaneamente a luz espalhada em função da temperatura (até 1,6 K) e do campo magnético (até 9 Tesla).

p Os cientistas do NIST escolheram explorar o ímã 2-D FePS3 porque seu espectro Raman muda drasticamente quando ele se torna magnético em baixas temperaturas. Por volta de 120 K (cerca de -240 graus F), os spins de cada átomo de Fe preferem se alinhar em oposição ao seu vizinho; esta configuração é chamada de antiferromagnética, ao contrário do ferromagnético, onde todos os spins se alinham na mesma direção.

p Durante a realização de seus experimentos, eles descobriram que um dos picos em seus espectros Raman estava se comportando de forma inesperada.

p Uma história de detetive:Magnon ou Phonon?

p O ponto crucial deste trabalho requer a apreciação da diferença entre dois tipos de excitações coletivas, fônons e magnons.

p Fônons são vibrações reticuladas quantizadas em um material, onde a palavra quantizado é usado para significar que apenas certas frequências de vibrações são permitidas. Nesta animação, você pode ver como essa vibração se propaga através da estrutura de uma cadeia unidimensional (1D) de átomos, com alguns átomos ficando mais próximos uns dos outros, então mais longe, enquanto o material vibra.

p Magnons, por outro lado, não envolvem o movimento dos próprios átomos. Em vez de, magnons envolvem mudanças em uma propriedade quântica dos elétrons nos átomos chamada spin, o recurso que torna os ímãs magnéticos. Se você pensar em cada átomo como uma bússola, então o giro é (metaforicamente) a agulha da bússola. Nesta metáfora, Contudo, o spin pode apontar para o norte (para cima) e para o sul (para baixo). A animação abaixo mostra o desenho de um magnon, o que pode acontecer quando os spins são perturbados pela luz do laser. Você pode ver como as setas têm um movimento ondulante que é análogo aos spins em um material magnético nesta amostra de cadeia 1D. Essa excitação dos spins é chamada de onda de spin.

p Quando você mede o espectro Raman de materiais magnéticos, ambos os fônons e magnons podem aparecer como picos individuais que são indistinguíveis no início. Requer técnicas investigativas avançadas, incluindo o estudo das características enquanto simultaneamente rastreia sua resposta à temperatura e ao campo magnético, para realmente discernir os dois. Anteriormente, a comunidade de pesquisa identificou um pico específico no espectro Raman do FePS3 como um fônon. Mas, mudando a temperatura e a força do campo magnético, a equipe do NIST descobriu dois comportamentos estranhos.

p Primeiro, a mudança de frequência do pico foi maior do que o esperado em função da temperatura. E então, quando eles aplicaram um campo magnético cada vez maior, o recurso que eles estavam rastreando se divide em dois picos.

p Neither of these behaviors are expected from a phonon. But they are classic magnon behavior.

p "Our study is the first to confirm the presence of a magnon in a 2-D magnet, and our unique experimental capabilities made it possible, " said Thuc Mai, a National Research Council postdoctoral fellow and paper co-author.

p Where Do We Go From Here

p One of the main takeaways of this work is that other researchers should consider magneto-Raman spectroscopy as a key measurement technique to probe 2-D magnets and other quantum materials, Hight Walker said.

p "We know of at least three labs that are adopting similar configurations after hearing us present the details of our unique capabilities, " Hight Walker said. "So it is exciting that people are seeing the promise."

p "NIST was the first to leverage our magneto-optical cryostat with such advanced Raman spectroscopy, " said Balázs Sipos, head of customer success at Attocube, a company that develops, produces, and distributes components and systems for nanoscale applications. "We have seen several more labs interested in duplicating their set up to achieve these unique types of measurements."

p As new information about these new materials is unraveled, more applications will be realized. Agora mesmo, the 2-D magnets are so new that scientists are still diving into the underlying physics. But computing systems based on magnetism instead of electronics could be a potential high-risk, high reward outcome.

p "We're doing the groundwork in understanding how optics can be used to study these materials that have been called out as relevant quantum materials for investigation, " Hight Walker said. "As we're beginning to demonstrate, this technique is going to be key for quantum materials metrology." p Esta história foi republicada por cortesia do NIST. Leia a história original aqui.