Materiais magnéticos bidimensionais foram aclamados como blocos de construção para a próxima geração de dispositivos eletrônicos pequenos e rápidos. Esses materiais, feitos de camadas de folhas cristalinas com apenas alguns átomos de espessura, ganham suas propriedades magnéticas únicas das rotações intrínsecas de seus elétrons, semelhantes a agulhas de bússola. A magreza em escala atômica das folhas significa que esses spins podem ser manipulados nas escalas mais finas usando campos elétricos externos, potencialmente levando a novos sistemas de armazenamento de dados e processamento de informações de baixa energia. Mas saber exatamente como projetar materiais 2D com propriedades magnéticas específicas que podem ser manipuladas com precisão continua sendo uma barreira para sua aplicação.
Agora, conforme relatado na revista Science Advances , pesquisadores do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), UC Berkeley, Cornell e Rutgers University descobriram materiais 2D em camadas que podem hospedar características magnéticas únicas que permanecem estáveis ​​à temperatura ambiente e, portanto, podem eventualmente ser usadas em futuros dispositivos cotidianos. Imagens em escala atômica do material revelam as características químicas e estruturais precisas que são responsáveis ​​por essas características e sua estabilidade.

Os pesquisadores do Berkeley Lab têm um histórico de identificação de propriedades magnéticas inesperadas em camadas atomicamente finas de cristais a granel, muitas delas baseadas em materiais semicondutores dopados com átomos de metal. Tyler Reichanadter, estudante de pós-graduação da UC Berkeley, coautor do estudo, calculou como a estrutura eletrônica de materiais 2D comuns pode mudar trocando átomos diferentes, neste caso, parte do ferro por cobalto. Essa troca específica resulta em uma estrutura de cristal que não pode ser sobreposta à sua imagem espelhada e leva à possibilidade de arranjos exóticos de rotação semelhantes a vórtices chamados skyrmions, que estão sendo explorados como blocos de construção da futura computação de baixa potência.

Os coautores do estudo Hongrui Zhang, pesquisador de pós-doutorado na UC Berkeley, e Xiang Chen, pesquisador de pós-doutorado no Berkeley Lab e na UC Berkeley, usaram instalações de crescimento de cristais para explorar alguns dos materiais 2D mais promissores, incluindo telureto de germânio de ferro dopado com cobalto. Fe₅ GeTe₂ ) na forma de nanoflocos. Fe₅ GeTe₂ é um material magnético 2D típico devido à sua estrutura em camadas única e simetria cristalina, com átomos de ferro ocupando pontos específicos dentro da estrutura cristalina. Eles descobriram que, substituindo exatamente metade dos átomos de ferro por átomos de cobalto - cuja configuração eletrônica ligeiramente diferente significava que os átomos ocupavam naturalmente pontos ligeiramente diferentes no cristal - eles podiam quebrar espontaneamente a simetria natural do cristal do material, o que, por sua vez, alterava sua estrutura de spin.

"Não é fácil de fazer. Essas estruturas levam dias ou meses para serem sintetizadas, e passamos por centenas de cristais", disse Chen, especialista na síntese de materiais tão complexos.

Os coautores Sandhya Susarla, pesquisador de pós-doutorado do Berkeley Lab, e Yu-tsun Shao, pesquisador de pós-doutorado em Cornell, confirmaram a estrutura em escala atômica e a estrutura eletrônica dos materiais complexos usando recursos de microscopia eletrônica no Centro Nacional de Microscopia Eletrônica da Fundição Molecular.

"Esta é pura ciência da descoberta e completamente inesperada", disse Ramamoorthy Ramesh, cientista sênior do corpo docente da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e autor correspondente sênior do artigo. “A equipe estava tentando manipular a estrutura eletrônica e descobriu que, quebrando a simetria, o material poderia hospedar skyrmions”.

Zhang usou microscopia de força magnética para visualizar os skyrmions em grandes áreas de tais cristais. Ao acompanhar a evolução dos skyrmions em função da temperatura e do campo magnético, os pesquisadores estabeleceram as condições físicas que levaram à sua estabilidade. Além disso, ao passar uma corrente elétrica pelo material, os pesquisadores descobriram que poderiam fazer com que os skyrmions se deslocassem dentro do material, independentemente dos átomos que levaram à sua formação em primeiro lugar.

Finalmente, David Raftrey, pesquisador do Berkeley Lab e da UC Santa Cruz, realizou simulações micromagnéticas para interpretar os padrões eletrônicos observados nesses materiais.

Como os materiais em camadas podem ser feitos com uma ampla gama de espessuras à temperatura ambiente e acima, os pesquisadores acreditam que suas propriedades magnéticas podem ser aprimoradas e expandidas. "Estamos interessados ​​na microeletrônica, mas questões fundamentais sobre a física dos materiais realmente nos inspiram", disse Zhang. + Explorar mais

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