Qualche mese fa, un team di scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST) ha riportato qualcosa di sorprendente su un materiale magnetico 2-D:comportamento che si era a lungo ritenuto dovuto alle vibrazioni nel reticolo, la struttura interna degli atomi nel materiale stesso - è in realtà dovuto a un'ondata di oscillazioni di spin.

Questa settimana, lo stesso gruppo descrive un'altra scoperta a sorpresa in un diverso materiale magnetico bidimensionale:il comportamento che si presume sia dovuto a un'onda di oscillazioni di spin è in realtà dovuto a vibrazioni nel reticolo.

Il lavoro, pubblicato in Comunicazioni sulla natura , è un'ulteriore prova che le capacità sperimentali uniche del team del NIST svolgono un ruolo fondamentale come strumento investigativo per gli scienziati che studiano questi magneti 2-D.

Le onde delle oscillazioni di spin comportano modifiche a una proprietà quantistica degli atomi chiamata spin; la caratteristica che rende magnetici i magneti. Se pensi a ogni atomo come a una bussola, quindi lo spin è (metaforicamente) l'ago della bussola. In questa metafora, però, la rotazione può puntare sia a nord (su) che a sud (giù). In alcuni materiali, lo spin può "capovolgersi" da una direzione metaforica all'altra.

L'esperimento ha impiegato la spettroscopia Raman, una tecnica che sonda un campione con luce laser e quindi misura come quella luce viene dispersa dal campione. Questo può rivelare informazioni su un materiale 2-D come la sua struttura, difetti, doping, numero di strati e accoppiamento tra gli strati, e altro ancora. Il sistema Raman progettato su misura al NIST aggiunge la capacità di tracciare simultaneamente la luce diffusa in funzione sia della temperatura che del campo magnetico.

La manipolazione della temperatura e del campo magnetico durante la misurazione del segnale Raman consente agli scienziati di identificare se stanno osservando vibrazioni reticolari o onde di spin. Per di più, in questo nuovo articolo i ricercatori riferiscono di poter tracciare gli spin all'interno di un singolo strato mentre gli spin "si capovolgono" in una nuova direzione.

Gli scienziati sanno che il comportamento che hanno trovato è intrinseco al materiale stesso perché la spettroscopia Raman consente loro di investigare il materiale 2-D in modo non invasivo, senza l'aggiunta di contatti elettronici che potrebbero influenzare i risultati.

"I nostri dati mostrano caratteristiche chiare che identificano una transizione di fase magnetica nel materiale utilizzando la luce come sonda, "Ha detto Hight Walker. "Strato per strato, osserviamo le rotazioni che cambiano direzione."

L'importanza dei magneti 2-D

Alcuni materiali sono composti da strati che interagiscono molto debolmente, che consente agli scienziati di separare o isolare singoli strati e accedere a fogli 2-D atomicamente sottili (dell'ordine di pochi nanometri). Per esempio, il grafene è stato il primo materiale 2-D isolato dalla grafite utilizzando una superficie adesiva per staccare un singolo strato dello spessore di un atomo.

Questi materiali sono chiamati 2-D perché, mentre possono essere relativamente larghi, sulla scala dei micrometri, sono anche estremamente sottili, sottili come un singolo atomo o 100, 000 volte più piccolo di un capello umano. Questa proprietà consente una maggiore personalizzazione rispetto ai materiali 3D. Si possono notare notevoli differenze tra uno o anche solo due strati dello stesso materiale.

Ma fino a poco tempo fa nessuno pensava che i materiali stratificati potessero essere magnetici quando riduci le loro dimensioni fino al limite 2-D. Quindi, solo un paio di anni fa, si scoprì che alcuni di loro potevano, infatti, mantengono il loro comportamento magnetico in un unico strato, e i magneti 2-D sono diventati un tema caldo di ricerca.

Il lavoro guidato dal NIST, fatto in collaborazione con scienziati della Ohio State University, Università di Towson, Penn State University, l'Università dell'Arkansas, e l'Istituto Nazionale di Scienza dei Materiali in Giappone, coinvolge un materiale 2-D chiamato triioduro di cromo (CrI3), che ha proprietà promettenti che un giorno potrebbero essere manipolate per creare dispositivi utili per l'informatica quantistica.

Più gli scienziati imparano su questi materiali 2-D, quanto più si avvicinano alla realizzazione di potenziali applicazioni, specialmente nell'elettronica di prossima generazione e persino nell'informazione quantistica.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione del NIST. Leggi la storia originale qui.