I fisici dell'Università di Basilea hanno dimostrato l'allineamento di spin degli elettroni liberi all'interno di un materiale bidimensionale. Scrivendo nell'ultima edizione di Nanotecnologia della natura , hanno descritto la loro osservazione della polarizzazione di spin spontanea, che non può verificarsi in materiali bidimensionali ideali secondo un noto teorema degli anni '60.

I materiali bidimensionali sono oggetto di numerosi studi. Poiché sono spessi solo pochi strati atomici, hanno proprietà fisiche diverse dai loro equivalenti tridimensionali. Grafene, un singolo strato di atomi di carbonio disposti a nido d'ape, promette di fornire applicazioni completamente nuove grazie alle sue notevoli proprietà elettroniche ed è l'esempio più noto di questo gruppo di materiali innovativi.

Il professor Richard Warburton del Dipartimento di Fisica e dell'Istituto svizzero di nanoscienze dell'Università di Basilea guida un gruppo che studia materiali bidimensionali adatti anche per applicazioni ottiche. Un candidato particolarmente promettente è un singolo monostrato di bisolfuro di molibdeno (MoS ₂ ), poiché questo materiale ha una banda proibita, a differenza del grafene, e può quindi emettere luce quando viene eccitato.

Tutti nella stessa direzione

Ora, nelle ultime analisi degli strati bidimensionali di bisolfuro di molibdeno, i dottorandi Jonas Roch e Nadine Leisgang hanno fatto una scoperta molto sorprendente. Hanno riempito il MoS ₂ strato con elettroni liberi e quindi esposto a un debole campo magnetico.

Ciò ha fatto sì che il momento angolare intrinseco (spin) di tutti gli elettroni liberi puntasse nella stessa direzione, e lo spin potrebbe essere "commutato" nell'altra direzione invertendo il campo magnetico. Conosciuto come "polarizzazione di spin spontanea, " questo fenomeno è stato una completa sorpresa perché un teorema degli anni '60 esclude la polarizzazione di spin spontanea in un materiale bidimensionale ideale.

"Da dove viene la polarizzazione di spin? Gli elettroni interagiscono tra loro, e il bisolfuro di molibdeno mostra anche un accoppiamento spin-orbita molto debole. Questi due fattori presumibilmente hanno una massiccia influenza sul sistema, " spiega Jonas Roch. La formulazione del teorema del 1966 aveva ipotizzato un'assenza di interazione spin-orbita.

"I risultati mostrano quanto possa essere eccitante la fisica sperimentale, e come impariamo costantemente cose nuove sui materiali bidimensionali, "dice Richard Warburton.