I materiali magnetici costituiscono la base delle tecnologie che giocano oggi un ruolo sempre più centrale nella nostra vita, compreso il rilevamento e l'archiviazione dei dati sul disco rigido. Ma poiché i nostri sogni innovativi evocano il desiderio di dispositivi sempre più piccoli e veloci, i ricercatori sono alla ricerca di nuovi materiali magnetici più compatti, più efficiente e può essere controllato utilizzando precisi, metodi affidabili.

Un team guidato dall'Università di Washington e dal Massachusetts Institute of Technology ha scoperto per la prima volta il magnetismo nel mondo 2-D dei monostrati, o materiali che sono formati da un singolo strato atomico. Le scoperte, pubblicato l'8 giugno sulla rivista Natura , dimostrare che le proprietà magnetiche possono esistere anche nel regno 2-D, aprendo un mondo di potenziali applicazioni.

"Quello che abbiamo scoperto qui è un materiale 2-D isolato con magnetismo intrinseco, e il magnetismo nel sistema è altamente robusto, " disse Xiaodong Xu, un professore UW di fisica e di scienza e ingegneria dei materiali, e membro del Clean Energy Institute dell'UW. "Prevediamo che possano emergere nuove tecnologie dell'informazione basate su questi nuovi magneti 2-D".

Xu e il professore di fisica del MIT Pablo Jarillo-Herrero hanno guidato il team internazionale di scienziati che hanno dimostrato che il materiale, il triioduro di cromo, o CrI3-ha proprietà magnetiche nella sua forma monostrato.

Altri gruppi, incluso il co-autore Michael McGuire presso l'Oak Ridge National Laboratory, aveva precedentemente dimostrato che CrI3, nel suo multistrato, 3-D, forma di cristallo sfuso:è ferromagnetico. Nei materiali ferromagnetici, gli "spin" degli elettroni costituenti, analogo a minuscolo, magneti subatomici, allinearsi nella stessa direzione anche senza un campo magnetico esterno.

Ma nessuna sostanza magnetica 3D aveva precedentemente mantenuto le sue proprietà magnetiche quando era stata ridotta a un singolo foglio atomico. Infatti, i materiali monostrato possono dimostrare proprietà uniche non viste nel loro multistrato, forme 3-D.

"Semplicemente non puoi prevedere con precisione quale sarà l'elettrico, magnetico, le proprietà fisiche o chimiche di un cristallo monostrato 2-D si baseranno sul comportamento della sua controparte 3-D bulk, ", ha detto il co-autore principale e studente di dottorato UW Bevin Huang.

Gli atomi all'interno dei materiali monostrato sono considerati "funzionalmente" bidimensionali perché gli elettroni possono viaggiare solo all'interno del foglio atomico, come pezzi su una scacchiera.

Per scoprire le proprietà di CrI3 nella sua forma 2-D, il team ha utilizzato lo scotch per radere un monostrato di CrI3 dal più grande, Forma di cristallo 3-D.

"Usare lo scotch per esfoliare un monostrato dal suo grosso cristallo 3-D è sorprendentemente efficace, ", ha detto Genevieve Clark, autrice e studentessa di dottorato alla UW. "Questo semplice, tecnica a basso costo è stata utilizzata per la prima volta per ottenere il grafene, la forma 2-D della grafite, ed è stato utilizzato con successo da allora con altri materiali."

Nei materiali ferromagnetici, gli spin allineati degli elettroni lasciano un segno rivelatore quando un raggio di luce polarizzata viene riflesso dalla superficie del materiale. I ricercatori hanno rilevato questa firma in CrI3 utilizzando un tipo speciale di microscopia. È il primo segno definitivo di ferromagnetismo intrinseco in un monostrato isolato.

Sorprendentemente, in fiocchi CrI3 spessi due strati, la firma ottica è scomparsa. Ciò indica che gli spin dell'elettrone sono opposti l'uno all'altro, un termine noto come ordinamento antiferromagnetico.

Il ferromagnetismo è tornato in CrI3 a tre strati. Gli scienziati dovranno condurre ulteriori studi per capire perché CrI3 ha mostrato queste straordinarie fasi magnetiche dipendenti dallo strato. Ma per Xu, queste sono solo alcune delle proprietà davvero uniche rivelate dalla combinazione di monostrati.

"I soli monostrati 2-D offrono opportunità entusiasmanti per studiare il controllo elettrico drastico e preciso delle proprietà magnetiche, che è stata una sfida realizzare usando i loro cristalli sfusi 3-D, " ha detto Xu. "Ma un'opportunità ancora maggiore può sorgere quando si impilano monostrati con proprietà fisiche diverse insieme. Là, puoi ottenere fenomeni ancora più esotici che non si vedono nel solo monostrato o nel cristallo di massa 3-D."

Gran parte della ricerca di Xu è incentrata sulla creazione di eterostrutture, che sono pile di due diversi materiali ultrasottili. All'interfaccia tra i due materiali, il suo team cerca nuovi fenomeni fisici o nuove funzioni per consentire potenziali applicazioni nelle tecnologie informatiche e informatiche.

In un relativo anticipo, Il gruppo di ricerca di Xu, Il professore di ingegneria elettrica e fisica della UW Kai-Mei Fu ha guidato un team di colleghi ha pubblicato un documento il 31 maggio in Progressi scientifici mostrando che una forma ultrasottile di CrI3, quando impilato con un monostrato di diseleniuro di tungsteno, crea un'interfaccia "eterostruttura" ultrapulita con proprietà fotoniche e magnetiche uniche e inaspettate.

"Le eterostrutture mantengono la più grande promessa di realizzare nuove applicazioni nel campo dell'informatica, archiviazione del database, comunicazioni e altre applicazioni che non riusciamo ancora a capire, " disse Xu.

Xu e il suo team vorrebbero poi studiare le proprietà magnetiche uniche dei magneti 2-D e delle eterostrutture che contengono un monostrato o doppio strato di CrI3.