Potrebbe non sembrare che un materiale sottile come un atomo possa nascondere sorprese, ma un gruppo di ricerca guidato da scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia ha scoperto una proprietà magnetica inaspettata in un materiale bidimensionale.

Gli scienziati hanno scoperto che un cristallo 2-D van der Waals, parte di una classe di materiale i cui strati atomicamente sottili possono essere staccati uno ad uno con nastro adesivo, possedeva un ferromagnetismo intrinseco.

La scoperta, in uscita il 26 aprile sulla rivista Natura , potrebbe avere importanti implicazioni per una vasta gamma di applicazioni che si basano su materiali ferromagnetici, come la memoria su scala nanometrica, dispositivi spintronici, e sensori magnetici.

"Questa è una scoperta emozionante, " ha detto il ricercatore principale dello studio Xiang Zhang, scienziato senior della facoltà presso la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e professore alla UC Berkeley. "Questo esperimento presenta prove evidenti di un magnete atomicamente sottile e atomicamente piatto, che ha sorpreso molte persone. Apre le porte per esplorare la fisica fondamentale dello spin e le applicazioni spintroniche a basse dimensioni".

Lo studio affronta un problema di vecchia data nella fisica quantistica sulla sopravvivenza del magnetismo quando i materiali si riducono a due dimensioni. Per mezzo secolo, il teorema di Mermin-Wagner ha affrontato questa domanda affermando che se i materiali 2-D mancano di anisotropia magnetica, un allineamento direzionale degli spin elettronici nel materiale, potrebbe non esserci alcun ordine magnetico.

"Interessante, abbiamo scoperto che l'anisotropia magnetica è una proprietà intrinseca del materiale 2-D che abbiamo studiato, e per questa sua caratteristica, siamo stati in grado di rilevare il ferromagnetismo intrinseco, ", ha affermato l'autore principale dello studio Cheng Gong, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Zhang.

forze di Van der Waals, prende il nome da uno scienziato olandese, si riferisce a forze di attrazione intermolecolari che non derivano dai tipici legami covalenti o ionici che mantengono intatte le molecole. Queste forze quantistiche sono usate dai gechi mentre scorrazzano senza sforzo lungo pareti e soffitti.

I cristalli di Van der Waals descrivono materiali in cui gli strati 2-D non sono collegati tra loro tramite legami tradizionali, permettendo loro di essere facilmente esfoliati con del nastro adesivo. Ricerca sul grafene, il più noto materiale van der Waals, ha vinto il premio Nobel per la fisica nel 2010.

"È come le pagine di un libro, " disse Gong. "Le pagine possono essere impilate una sopra l'altra, ma le forze che collegano una pagina all'altra sono molto più deboli delle forze nel piano che mantengono intatto un singolo foglio."

Gong stima che per questo studio, ha staccato più di 3, 000 scaglie di tellururo di cromo germanio (Cr2Ge2Te6, o CGT). Mentre la CGT esiste da decenni come materiale sfuso, i ricercatori affermano che i fiocchi 2-D potrebbero rappresentare una nuova entusiasmante famiglia di cristalli 2-D van der Waals.

"CGT è anche un semiconduttore, e il ferromagnetismo è intrinseco, " ha detto il co-autore senior Jing Xia, Professore associato di fisica e astronomia alla UC Irvine. "Questo lo rende più pulito per le applicazioni in memoria e spintronica".

I ricercatori rilevano la magnetizzazione da materiali atomicamente sottili utilizzando una tecnica chiamata effetto Kerr magneto-ottico. Il metodo prevede il rilevamento supersensibile della rotazione della luce polarizzata linearmente quando interagisce con gli spin degli elettroni nel materiale.

La chiave di uno dei risultati più sorprendenti dello studio è che l'anisotropia magnetica era molto piccola nel materiale CGT. Ciò ha permesso ai ricercatori di controllare facilmente la temperatura alla quale il materiale perde il suo ferromagnetismo, nota come temperatura di transizione o di Curie.

"Si tratta di una scoperta significativa, " disse Gong, "Le persone credono che la temperatura di Curie sia una proprietà intrinseca di un materiale magnetico e che non possa essere modificata. Il nostro studio dimostra che è possibile".

I ricercatori hanno dimostrato di poter controllare la temperatura di transizione del fiocco CGT utilizzando campi magnetici sorprendentemente piccoli di 0,3 tesla o meno.

"Pellicole sottili di metalli come il ferro, cobalto, e nichel, a differenza dei materiali 2-D van der Waals, sono strutturalmente imperfetti e suscettibili di vari disturbi, che contribuiscono ad una enorme e imprevedibile anisotropia spuria, " disse Gong. "Al contrario, la CGT 2-D altamente cristallina e uniformemente piatta, insieme alla sua piccola anisotropia intrinseca, consente a piccoli campi magnetici esterni di ingegnerizzare efficacemente l'anisotropia, consentendo un controllo del campo magnetico senza precedenti delle temperature di transizione ferromagnetica."

Gli autori dello studio hanno anche sottolineato che una caratteristica sorprendente dei cristalli di van der Waals è che possono essere facilmente combinati con materiali dissimili senza restrizioni basate sulla compatibilità strutturale o chimica.

"Le opportunità di combinare materiali diversi per sviluppare nuove funzionalità sono attraenti, " ha detto il co-autore senior Steven Louie, scienziato senior della facoltà presso la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e professore di fisica alla UC Berkeley. "Questo offre un'enorme flessibilità nella progettazione di strutture artificiali per diverse applicazioni magneto-elettriche e magneto-ottiche".