Os materiais mais finos do mundo têm apenas um átomo de espessura. Esses tipos de materiais bidimensionais ou 2D – como o grafeno, conhecido por consistir em uma única camada de átomos de carbono – estão causando muito entusiasmo entre as equipes de pesquisa em todo o mundo. Isso ocorre porque esses materiais prometem propriedades incomuns que não podem ser obtidas usando materiais tridimensionais. Como resultado, os materiais 2D estão abrindo as portas para novas aplicações em campos como tecnologia de informação e exibição, bem como para componentes críticos em sensores extremamente sensíveis.
Estruturas conhecidas como monocamadas de van-der-Waals estão despertando particular interesse. Estas são combinações de duas ou mais camadas de materiais diferentes, cada uma com apenas um único átomo de espessura, com as camadas mantidas umas às outras por forças eletrostáticas de van-der-Waals fracas. Ao selecionar o tipo e a sequência de camadas de material ligadas dessa maneira, características elétricas, magnéticas e ópticas específicas podem ser escolhidas e modificadas. No entanto, a deposição homogênea em escala de camadas individuais de van-der-Waals com propriedades ferromagnéticas ainda não foi alcançada. No entanto, é precisamente esse tipo de magnetismo em escala maior que é particularmente importante para várias aplicações potenciais - como para uma nova forma de memória não volátil, por exemplo.

Cientistas do Instituto Max Planck de Física de Microestrutura em Halle, Alemanha, a fonte de luz síncrotron ALBA em Barcelona, ​​Espanha, e o Helmholtz-Zentrum Berlin conseguiram agora pela primeira vez criar um material bidimensional uniforme – e demonstrar um exótico comportamento ferromagnético dentro dele conhecido como magnetismo de "plano fácil".

Uma camada quase flutuante de cromo e cloro

Os pesquisadores da Alemanha e da Espanha utilizaram cloreto de cromo (CrCl₃ ) como um material, que se assemelha ao composto correspondente feito de cromo e iodo na estrutura - mas pode ser consideravelmente mais robusto. A equipe em Halle depositou uma camada monoatômica em macroescala deste material sobre um substrato de carboneto de silício revestido com grafeno usando epitaxia de feixe molecular. O objetivo do grafeno era reduzir a interação entre cloreto de cromo e carboneto de silício e, assim, evitar que o substrato influenciasse as propriedades do CrCl monoatômico₃ camada. Esta foi a chave para acessar a elusiva anisotropia magnética de plano fácil", explica o Dr. Amilcar Bedoya-Pinto, pesquisador do grupo do Prof. Stuart Parkin no Instituto Max Planck em Halle. camada ultrafina que só foi ligada à camada intermediária de grafeno por forças fracas de van-der-Waals."

O objetivo da equipe era responder à questão de como a ordem magnética no cloreto de cromo se manifesta quando consiste em apenas uma única camada monoatômica. Em sua forma tridimensional normal, a substância é antiferromagnética. Como resultado, os momentos magnéticos dos átomos são orientados em direções opostas em cada camada - o que faz com que o material pareça não magnético em massa. Considerações teóricas até agora sugeriram que a ordenação magnética é perdida ou exibe fraca magnetização convencional quando o material é reduzido a uma única camada atômica.

Medições precisas nas instalações da VEKMAG

No entanto, os cientistas agora conseguiram refutar isso – analisando detalhadamente as propriedades magnéticas do material 2D. Para fazer isso, eles usaram os recursos exclusivos da instalação de ímã vetorial VEKMAG instalada na fonte de radiação síncrotron BESSY II da HZB. "Aqui é possível investigar amostras usando raios X suaves em um campo magnético forte - e em temperaturas próximas do zero absoluto", diz o Dr. Florin Radu, chefe da equipe da HZB responsável pelas operações nas instalações da VEKMAG. "Esses aspectos tornam a instalação única no mundo", acrescenta o cientista berlinense. Permitiu que os membros da equipe de Halle determinassem a orientação de momentos magnéticos individuais e distinguissem com precisão entre átomos de cromo e cloro.

Durante as medições, os pesquisadores observaram como a ordem ferromagnética se formou no material bidimensional abaixo de uma certa temperatura, o que é conhecido como temperatura de Curie. "Na camada monoatômica de cloreto de cromo, ocorreu uma transição de fase característica dos ímãs de plano fácil que nunca havia sido observada antes em um material tão 2D", relata Bedoya-Pinto.

Tailwind para o desenvolvimento da spintrônica

A descoberta não apenas oferece novos insights sobre o comportamento magnético de materiais bidimensionais. "Agora também temos uma excelente plataforma para explorar uma variedade de fenômenos físicos que só existem em ímãs bidimensionais", diz Bedoya-Pinto, como o transporte de spin superfluido (sem perdas), que é uma espécie de momento de elétrons e outras partículas. Essas são a base para uma nova forma de processamento de dados que, ao contrário da eletrônica convencional, usa momentos magnéticos em vez de cargas elétricas. Conhecido como spintrônica, isso está revolucionando atualmente o armazenamento de dados e o processamento de informações. Os novos insights obtidos na HZB podem impulsionar esse desenvolvimento. + Explorar mais

Visualizando a estrutura atômica e o magnetismo de isolantes magnéticos 2-D