Il bromuro di solfuro di cromo si cristallizza in strati sottili che possono essere staccati e impilati per creare dispositivi su scala nanometrica. I ricercatori della Columbia hanno scoperto che le proprietà elettroniche e magnetiche di questo materiale sono collegate tra loro, una scoperta che potrebbe consentire la ricerca fondamentale e potenziali applicazioni nella spintronica. Credito:Myung-Geun Han e Yimei Zhu
Le informazioni nei computer vengono trasmesse attraverso semiconduttori dal movimento degli elettroni e memorizzate nella direzione dello spin dell'elettrone nei materiali magnetici. Per ridurre i dispositivi migliorandone le prestazioni, un obiettivo di un campo emergente chiamato spin-electronics ("spintronics"), i ricercatori sono alla ricerca di materiali unici che combinino entrambe le proprietà quantistiche. Scrivendo su Nature Materials, un team di chimici e fisici della Columbia trova un forte legame tra trasporto di elettroni e magnetismo in un materiale chiamato solfuro di cromo bromuro (CrSBr).
Creato nel laboratorio del chimico Xavier Roy, CrSBr è un cosiddetto cristallo di van der Waals che può essere sbucciato in strati 2D impilabili sottili di pochi atomi. A differenza dei materiali correlati che vengono rapidamente distrutti dall'ossigeno e dall'acqua, i cristalli di CrSBr sono stabili alle condizioni ambientali. Questi cristalli mantengono anche le loro proprietà magnetiche alla temperatura relativamente alta di -280F, evitando la necessità di costoso elio liquido raffreddato a una temperatura di -450F,
"CrSBr è infinitamente più facile da lavorare rispetto ad altri magneti 2D, il che ci consente di fabbricare nuovi dispositivi e testarne le proprietà", ha affermato Evan Telford, un postdoc nel laboratorio Roy che si è laureato in fisica alla Columbia nel 2020. L'anno scorso, i colleghi Nathan Wilson e Xiaodong Xu dell'Università di Washington e Xiaoyang Zhu della Columbia hanno trovato un legame tra il magnetismo e il modo in cui il CrSBr risponde alla luce. Nel lavoro in corso, Telford ha guidato lo sforzo di esplorare le sue proprietà elettroniche.
Il team ha utilizzato un campo elettrico per studiare gli strati di CrSBr su diverse densità di elettroni, campi magnetici e temperature, diversi parametri che possono essere regolati per produrre effetti diversi in un materiale. Quando le proprietà elettroniche in CrSBr sono cambiate, anche il suo magnetismo è cambiato.
"I semiconduttori hanno proprietà elettroniche regolabili. I magneti hanno configurazioni di rotazione regolabili. In CrSBr, queste due manopole sono combinate", ha affermato Roy. "Ciò rende il CrSBr attraente sia per la ricerca fondamentale che per la potenziale applicazione della spintronica."
Il magnetismo è una proprietà difficile da misurare direttamente, in particolare perché la dimensione del materiale si restringe, ha spiegato Telford, ma è facile misurare come si muovono gli elettroni con un parametro chiamato resistenza. In CrSBr, la resistenza può fungere da proxy per stati magnetici altrimenti non osservabili. "È molto potente", ha affermato Roy, soprattutto perché i ricercatori cercano un giorno di costruire chip con tali magneti 2D, che potrebbero essere utilizzati per l'informatica quantistica e per archiviare enormi quantità di dati in un piccolo spazio.
Il legame tra le proprietà elettroniche e magnetiche del materiale era dovuto a difetti negli strati:per il team, un'occasione fortunata, ha affermato Telford. "Le persone di solito vogliono il materiale 'più pulito' possibile. I nostri cristalli avevano dei difetti, ma senza quelli non avremmo osservato questo accoppiamento", ha detto.
Da qui, il laboratorio Roy sta sperimentando modi per coltivare cristalli di van der Waals pelabili con difetti deliberati, per migliorare la capacità di mettere a punto le proprietà del materiale. Stanno anche esplorando se diverse combinazioni di elementi potrebbero funzionare a temperature più elevate pur mantenendo quelle preziose proprietà combinate. + Esplora ulteriormente
