PARCO Je-Geun, Il direttore associato del Center for Correlated Electron Systems e i suoi collaboratori hanno dimostrato il comportamento magnetico di una classe speciale di materiali 2-D. Questa è la prima prova sperimentale di una teoria proposta più di 70 anni fa. La carta, descrivendo l'esperimento, è pubblicato sulla rivista Nano lettere .

Recentemente, scienziati di tutto il mondo stanno studiando le proprietà e le applicazioni di materiali 2-D estremamente sottili, solo un atomo di spessore, come il grafene. Lo studio delle proprietà dei materiali 2-D rispetto alle loro controparti 3-D solleva molte domande stimolanti; uno di questi riguarda le transizioni di fase magnetiche.

Alcuni materiali sono magnetici a causa del comportamento degli spin dei loro elettroni. In parole povere, spin (numeri quantici di spin, o più precisamente i loro momenti magnetici associati), sono proprio come piccoli magneti, convenzionalmente indicato come frecce. A temperature estremamente basse, questi giri tendono ad allinearsi, abbassando l'energia totale degli elettroni. Però, al di sopra di una temperatura specifica che varia da materiale a materiale, gli spin perdono il loro allineamento e diventano orientati in modo casuale. Simile a come il ghiaccio perde il suo ordine interno e diventa liquido al di sopra di una certa temperatura; Anche i magneti 3-D perdono la loro magnetizzazione al di sopra di una temperatura critica. Questo è chiamato transizione di fase ed è un processo sempre presente negli oggetti 3D.

Però, cosa succede ai sistemi 1D e 2-D a basse temperature? Sperimentano una transizione di fase? In altre parole, vedremo una transizione da solido a liquido in una catena di molecole d'acqua (1D) o in uno strato d'acqua spesso un atomo (2-D)?

Circa un secolo fa, il fisico Wilhelm Lenz chiese al suo allievo Ernst Ising di risolvere questo problema per i sistemi 1D. Ising lo spiegò nel 1925 e concluse che i materiali 1D non hanno transizioni di fase. Quindi, Ising ha cercato di affrontare la stessa domanda per un particolare tipo di materiali 2-D. Il problema si è rivelato molto più difficile. La soluzione arrivò nel 1943 per gentile concessione di Lars Onsager, che ha ricevuto il Premio Nobel per la Chimica nel 1968. Infatti, Onsager ha scoperto che i materiali, che seguono il modello di spin di Ising, avere una transizione di fase. Però, nonostante l'enorme importanza che questa teoria ha nel successivo sviluppo dell'intera fisica delle transizioni di fase, non è mai stato testato sperimentalmente utilizzando un vero materiale magnetico. "La fisica dei sistemi 2-D è unica ed entusiasmante. La soluzione Onsager viene insegnata in ogni corso avanzato di meccanica statistica. È lì che ho imparato questo problema. Tuttavia, quando ho scoperto molto tempo dopo che non era stato testato sperimentalmente con un materiale magnetico, Ho pensato che fosse un peccato per gli sperimentali come me, quindi è stato naturale per me cercare un materiale reale per testarlo, " spiega PARK Je-Geun.

Per dimostrare il modello Onsager, il team di ricerca ha prodotto cristalli di tritioipofosfato di ferro (FePS3) con una tecnica chiamata trasporto chimico del vapore. I cristalli sono costituiti da strati legati da interazioni deboli, note come interazioni di Van der Waals. Gli strati possono essere staccati dal cristallo usando dello scotch, allo stesso modo il nastro può rimuovere la vernice da un muro. Gli scienziati hanno sbucciato gli strati finché non sono rimasti con un solo strato di FePS3 (2-D). "Possiamo chiamare questi materiali materiali magnetici di Van der Waals o grafene magnetico:sono magnetici e hanno legami di Van der Waals facili da scindere tra gli strati. Sono molto rari, e la loro fisica è ancora inesplorata, "dice il professore.

Sebbene ci siano diversi metodi per misurare le proprietà magnetiche dei materiali 3D sfusi, queste tecniche non hanno alcuna utilità pratica per misurare segnali magnetici provenienti da materiali monostrato. Perciò, il team ha utilizzato la spettroscopia Raman, una tecnica normalmente utilizzata per misurare le vibrazioni all'interno del materiale. Hanno usato le vibrazioni come misura indiretta del magnetismo, più vibrazioni, la minore magnetizzazione.

Il team e i colleghi di Park hanno prima utilizzato la spettroscopia Raman su materiale FePS3 3-D sfuso a diverse temperature e poi hanno testato il monostrato 2-D di FePS3. "Il test con il campione di massa ci ha mostrato che i segnali Raman possono essere utilizzati come una sorta di impronta digitale della transizione di fase a temperature intorno a 118 Kelvin, o meno 155 gradi Celsius. Con questa conferma abbiamo quindi misurato il campione monostrato e trovato gli stessi modelli, " sottolinea Park. "Concludiamo che FePS3 3-D e 2-D hanno la stessa firma della transizione di fase visibile nello spettro Raman." Sia nel campione bulk che nel monostrato, Gli spin di FePS3' sono ordinati (antiferromagnetici) a temperature molto basse, e diventano disordinati (paramagnetici) sopra i 118 gradi Kelvin. "Mostrare la transizione di fase magnetica con questo esperimento tour-de-force è un bel test per la soluzione Onsager, "conclude il fisico.

Nel futuro, il team vorrebbe studiare altri materiali metallici di transizione 2-D, andando oltre il modello di spin 2-D di Ising.