Per la prima volta, i fisici dell'Università di Basilea sono riusciti a misurare le proprietà magnetiche dei materiali van der Waals atomicamente sottili su scala nanometrica. Hanno usato sensori quantistici a diamante per determinare la forza della magnetizzazione dei singoli strati atomici del materiale triioduro di cromo. Inoltre, hanno trovato una spiegazione a lungo cercata per le insolite proprietà magnetiche del materiale. Il giornale Scienza ha pubblicato i risultati.

L'uso di atomicamente sottili, i materiali bidimensionali van der Waals promettono innovazioni in numerosi campi della scienza e della tecnologia. Gli scienziati di tutto il mondo esplorano costantemente nuovi modi per impilare diversi strati atomici singoli e quindi progettare nuovi materiali con elementi unici, proprietà emergenti.

Questi materiali compositi supersottili sono tenuti insieme dalle forze di van der Waals e spesso si comportano in modo diverso dai cristalli sfusi dello stesso materiale. I materiali van der Waals atomicamente sottili includono isolanti, semiconduttori, superconduttori e alcuni materiali con proprietà magnetiche. Il loro uso nella spintronica o nei supporti di memoria magnetici ultracompatti è molto promettente.

La prima misurazione quantitativa della magnetizzazione

Fino ad ora, non è stato possibile determinare la forza, allineamento e struttura di questi magneti quantitativamente né su scala nanometrica. Il team guidato dal professor Patrick Maletinsky della Georg-H.-Endress del Dipartimento di Fisica e dell'Istituto svizzero di nanoscienze dell'Università di Basilea ha dimostrato che l'uso di punte di diamante decorate con singoli spin di elettroni in un microscopio a forza atomica è ideale per questi tipi di studi.

"Il nostro metodo, che utilizza come sensori i singoli giri nei centri di colore del diamante, apre un campo completamente nuovo. Le proprietà magnetiche dei materiali bidimensionali possono ora essere studiate su scala nanometrica e anche in maniera quantitativa. I nostri innovativi sensori quantistici sono perfettamente adatti a questo compito complesso, "dice Maletinskij.

Il numero di strati è critico

Utilizzando questa tecnologia che è stata originariamente sviluppata a Basilea e che si basa su uno spin di un singolo elettrone, gli scienziati hanno collaborato con ricercatori dell'Università di Ginevra per determinare le proprietà magnetiche di singoli strati atomici di triioduro di cromo (CrI ₃ ). I ricercatori sono stati così in grado di trovare la risposta a una domanda scientifica chiave sul magnetismo di questo materiale.

In quanto tridimensionale, cristallo sfuso, il triioduro di cromo è completamente ordinato magneticamente. Nel caso di pochi strati atomici, però, solo gli stack con un numero dispari di strati atomici mostrano una magnetizzazione diversa da zero. Le pile con un numero pari di strati mostrano un comportamento antiferromagnetico; cioè non sono magnetizzati. La causa di questo "effetto pari/dispari" e la discrepanza rispetto al materiale sfuso erano precedentemente sconosciute.

Sforzo come causa

Il team di Maletinsky è stato in grado di dimostrare che questo fenomeno è dovuto alla specifica disposizione atomica degli strati. Durante la preparazione del campione, i singoli strati di triioduro di cromo si muovono leggermente l'uno contro l'altro. La deformazione risultante nel reticolo significa che gli spin degli strati successivi non sono in grado di allinearsi nella stessa direzione; Invece, la direzione di rotazione si alterna negli strati. Con un numero pari di strati, la magnetizzazione degli strati si annulla; con un numero dispari, la forza della magnetizzazione misurata corrisponde a quella di un singolo strato.

Però, quando il ceppo nella pila viene rilasciato, ad esempio, perforando il campione:gli spin di tutti i livelli possono allinearsi nella stessa direzione, come si osserva anche nei cristalli sfusi. La forza magnetica dell'intero stack è quindi coerente con la somma dei singoli strati.

Il lavoro condotto dagli scienziati di Basilea non risponde quindi solo a una domanda chiave sui magneti bidimensionali di van der Waals, ma apre anche interessanti prospettive su come i loro innovativi sensori quantistici possono essere utilizzati in futuro per studiare magneti bidimensionali al fine di contribuire allo sviluppo di nuovi componenti elettronici.