I teorici della Rice University hanno scoperto che i campi magnetici (blu) vengono creati ai bordi dei grani nei dicalcogenuri bidimensionali. dislocazioni lungo questi confini, dove gli atomi vengono espulsi dai loro regolari schemi esagonali, la forza dell'elettrone ruota in allineamenti che favoriscono il magnetismo. Credito:Zhuhua Zhang/Rice University
Quando spremere atomi, non ottieni il succo dell'atomo. Ottieni magneti.
Secondo una nuova teoria degli scienziati della Rice University, le imperfezioni in alcuni materiali bidimensionali creano le condizioni per cui sorgono campi magnetici su scala nanometrica.
I calcoli del laboratorio del fisico teorico di Rice Boris Yakobson mostrano queste imperfezioni, chiamati bordi di grano, nei materiali semiconduttori bidimensionali noti come dicalcogenuri possono essere magnetici. Questo potrebbe portare a nuove strategie per il crescente campo della spintronica, che sfrutta lo spin intrinseco degli elettroni e dei loro campi magnetici associati per dispositivi elettronici e informatici.
La scoperta di Yakobson, l'autore principale Zhuhua Zhang e i suoi colleghi sono stati riportati online questa settimana sulla rivista dell'American Chemical Society ACS Nano .
I dicalcogenuri sono ibridi che combinano metalli di transizione e atomi di calcogeno, che includono zolfo, selenio e tellurio. Il gruppo Yakobson si è concentrato sul disolfuro di molibdeno semiconduttore (MDS) che, come un atomo di grafene, può essere coltivato tramite deposizione chimica da vapore (CVD), tra gli altri metodi. In un forno CVD, gli atomi si dispongono attorno a un seme catalizzatore in schemi esagonali familiari; però, nel caso di MDS, gli atomi di zolfo nel reticolo fluttuano alternativamente sopra e sotto lo strato di molibdeno.
Quando due fiori in crescita si incontrano, è altamente improbabile che si allineino, così gli atomi trovano un modo per connettersi lungo il confine, o confine di grano. Invece di esagoni regolari, gli atomi sono costretti a trovare l'equilibrio formando anelli adiacenti noti come dislocazioni, con cinque più sette nodi o quattro più otto nodi.
Nel grafene, che è generalmente considerato il materiale più resistente sulla Terra, queste dislocazioni sono punti deboli. Ma in MDS o altri dicalcogenuri, hanno proprietà uniche.
In un foglio perfetto di bisolfuro di molibdeno, a sinistra, gli atomi di zolfo (giallo) e gli atomi di molibdeno (blu) appaiono in un perfetto schema esagonale se visti dall'alto, sebbene gli atomi di zolfo galleggiano appena sopra e sotto lo strato di molibdeno. Quando due fogli si uniscono ad angolo, Giusto, le dislocazioni interrompono gli esagoni. In quei punti, secondo una nuova ricerca della Rice University, possono formarsi campi magnetici. La scoperta potrebbe dare impulso alla ricerca sulla spintronica per l'elettronica e l'informatica. Credito:Zhuhua Zhang/Rice University
"Non importa come li coltivi, " ha detto Yakobson. "Queste aree disorientate alla fine si scontrano, ed è lì che trovi i difetti topologici. Si scopre che, e mi piace questa metafora meccanicistica, spremono il magnetismo dal materiale non magnetico".
Nei lavori precedenti, Yakobson ha scoperto che le dislocazioni creano linee conduttrici della larghezza dell'atomo e poliedri a forma di dreidel in MDS. Questa volta, il team ha scavato più a fondo per scoprire che i nuclei di dislocazione diventano magnetici forzando gli elettroni rotanti ad allinearsi in modi che non si annullano a vicenda, come fanno in un reticolo impeccabile. La forza dei magneti dipende dall'angolo del confine e aumenta con il numero di dislocazioni necessarie per mantenere il materiale energeticamente stabile.
"Ogni elettrone ha carica e spin, entrambi i quali possono trasportare informazioni, " ha detto Zhang. "Ma nei transistor convenzionali, sfruttiamo solo la carica, come nei transistor ad effetto di campo. Per i nuovi dispositivi spintronici, dobbiamo controllare sia la carica che la rotazione per una maggiore efficienza e funzioni arricchite."
Le dislocazioni atomiche possono caricarsi magneticamente quando fogli bidimensionali di bisolfuro di molibdeno e altri dicalcogenuri si incontrano ad angolo, secondo i calcoli dei teorici della Rice University. I bordi dei grani spingono gli atomi fuori dai loro schemi esagonali (a sinistra) e impediscono agli spin degli elettroni di annullarsi a vicenda, creare campi magnetici su nanoscala (a destra, in blu) nel processo. Credito:Zhuhua Zhang/Rice University
"Il nostro lavoro suggerisce un nuovo grado di libertà, una nuova manopola di controllo, per l'elettronica che utilizza MDS, " Ha detto Yakobson. "La capacità di controllare le proprietà magnetiche di questo materiale 2-D lo rende superiore al grafene sotto certi aspetti".
Ha detto che gli anelli di dislocazione di quattro e otto atomi non sono energeticamente favoriti nel grafene ed è improbabile che si verifichino lì. Ma nei materiali che mescolano due elementi, certe configurazioni di confine di grano molto probabilmente creeranno condizioni in cui elementi simili, desiderando evitare il contatto tra di loro, si legheranno invece ai loro opposti chimici.
"Il sistema evita i legami monoelementali, " Yakobson ha detto. "Alla chimica non piace, quindi quattro-otto offre un vantaggio." Quei difetti sono anche le più forti fonti di magnetismo a determinati angoli di confine del grano, Egli ha detto; ad alcuni angoli, i confini diventano ferromagnetici.
Il team ha dimostrato la sua teoria attraverso modelli informatici progettati per isolare e controllare gli effetti dei bordi dei nanonastri e dei dipoli dei bordi dei grani che potrebbero alterare i risultati. Hanno anche determinato che gli angoli di confine del grano tra 13 e 32 gradi forzano una progressiva sovrapposizione tra gli spin delle dislocazioni. Con sufficiente sovrapposizione, gli spin si accoppiano magneticamente e si espandono in bande elettroniche che supportano il trasporto di carica polarizzata con spin lungo il confine.
Ora, Yakobson ha detto, "La sfida è trovare un modo per rilevare sperimentalmente queste cose. È abbastanza difficile risolverlo a questa risoluzione spaziale, soprattutto quando alcuni dei metodi sperimentali, come fasci di elettroni, distruggerebbe il materiale".
