Figura 1:Giri in gioco. Gli spin degli elettroni in materiali diversi potrebbero essere vincolati in determinati orientamenti. Il modello di Ising si occupa di rotazioni che puntano verso l'alto o verso il basso. Il modello XY spiega il comportamento dei materiali in cui gli spin sono liberi di muoversi solo sugli assi x e y, e il modello di Heisenberg riguarda gli spin che puntano in qualsiasi direzione, proprio come le lancette dell'orologio. Credito:Istituto per le scienze di base
Ricercatori presso il Centro per i sistemi elettronici correlati, all'interno dell'Institute for Basic Science (IBS) in Corea del Sud, in collaborazione con la Sogang University e la Seoul National University, ha riportato la prima osservazione sperimentale di un materiale antiferromagnetico di tipo XY, il cui ordine magnetico diventa instabile quando viene ridotto allo spessore di un atomo. Pubblicato in Comunicazioni sulla natura , questi risultati sono coerenti con le previsioni teoriche risalenti agli anni '70.
La dimensionalità in fisica è un concetto importante che determina la natura della materia. La scoperta del grafene ha aperto le porte del mondo 2-D:un luogo in cui essere spessi uno o due atomi fa la differenza. Da allora, diversi scienziati si sono interessati alla sperimentazione di materiali 2-D, compresi i materiali magnetici.
I materiali magnetici sono caratterizzati dal loro comportamento di spin. Gli spin possono essere allineati paralleli o antiparalleli tra loro, con conseguente ferromagneti o antiferromagneti, rispettivamente. Oltre a questo, tutte le classi di materiali possono, in linea di principio, appartengono a tre diversi modelli secondo alcune nozioni fondamentali della fisica:Ising, XY o Heisenberg. Il modello XY spiega il comportamento dei materiali i cui spin si muovono solo su un piano costituito dagli assi x e y.
Il comportamento di rotazione può cambiare drasticamente quando si taglia il magnete al suo livello più sottile, poiché i materiali 2-D sono più sensibili alle fluttuazioni di temperatura, che può distruggere lo schema di rotazioni ben allineate. Quasi 50 anni fa, John M. Kosterlitz e David J. Thouless, e Vadim Berezinskii indipendentemente, descritto teoricamente che i modelli 2-D XY non subiscono una normale transizione di fase magnetica a basse temperature, ma una forma molto insolita, in seguito chiamato transizione BKT. Si sono resi conto che le fluttuazioni quantistiche dei singoli spin sono molto più dirompenti nel mondo 2-D che in quello 3-D, che può portare a rotazioni che assumono uno schema a vortice. Kosterlitz e Thouless hanno ricevuto il Premio Nobel per la Fisica nel 2016.
Negli anni, i materiali ferromagnetici sono stati ampiamente analizzati, ma la ricerca sui materiali antiferromagnetici non è progredita con la stessa velocità. Il motivo è che questi ultimi necessitano di tecniche sperimentali diverse. "Nonostante l'interesse e i fondamenti teorici, nessuno l'ha mai sperimentato. La ragione principale di ciò è che è molto difficile misurare in dettaglio le proprietà magnetiche di un materiale antiferromagnetico così sottile, " dice PARK Je-Geun, autore principale della pubblicazione.
Figura 2:Confronto tra NiPS3 bulk e monostrato a diverse temperature. Bulk (a) e monostrato (b) NiPS3 rivelano una firma diversa negli spettri Raman. Il grande picco a circa 550 cm-1 nel campione spesso un atomo è un segno che l'ordinamento magnetico è perso. Credito:Istituto per le scienze di base
I ricercatori coinvolti in questo studio si sono concentrati su una classe di metalli di transizione adatti allo studio dell'ordinamento antiferromagnetico in 2-D. Tra loro, il trisolfuro di nichel fosforo (NiPS3) corrisponde al tipo XY ed è antiferromagnetico alle basse temperature. È anche un materiale van der Waals, caratterizzato da forti legami intrastrato, e connessioni interstrato facilmente disgregabili. Di conseguenza, NiPS3 può essere preparato in più strati, con una tecnica chiamata deposizione chimica da vapore, e poi esfoliato fino a monostrato, permettendo di esaminare la correlazione tra ordinamento magnetico e numero di strati.
Il team ha analizzato e confrontato NiPS3 in blocco e come monostrato con la spettroscopia Raman, una tecnica che permette di determinare il numero di strati e le proprietà fisiche. Hanno notato che il loro magnetismo cambiava in base allo spessore:l'ordine degli spin è soppresso a livello del monostrato.
"La cosa interessante è il drastico cambiamento tra il doppio strato e il monostrato. A prima vista, potrebbe non esserci una grande differenza tra i due, ma l'effetto del passaggio da due dimensioni a tre dimensioni fa sì che le loro proprietà fisiche si capovolgano bruscamente, " spiega Parco.
Questo è un altro esempio di materiali magnetici dipendenti dallo spessore. Tra loro, triioduro di cromo (CrI 3 ) è ferromagnetico come monostrato, antiferromagnetico come doppio strato, e di nuovo al ferromagnetico come tristrato. E in contrasto con il ferro tritioipofosfato (FePS 3 ), per cui gli scienziati IBS del gruppo del Prof. Park hanno scoperto nel 2016 che mantiene intatto il suo ordinamento antiferromagnetico fino al monostrato.
Il gruppo sta anche studiando il modello di Heisenberg, e nuovi fenomeni derivanti dalla combinazione di materiali antiferromagnetici con altri.
