Nel nanomondo, il magnetismo si è rivelato davvero sorprendente. I materiali magnetici 2-D dello spessore di pochi atomi potrebbero fornire un substrato per l'elettronica post-silicio sempre più piccola. Un team di ricerca internazionale guidato da Park Je-Geun presso il Center for Correlated Electron Systems, all'interno dell'Istituto per le scienze di base (IBS), ha appena pubblicato un documento Perspective Review in Natura presentando gli ultimi risultati e il potenziale futuro dei materiali magnetici 2-D van der Waals (vdW), sconosciuti fino a sei anni fa e che hanno recentemente attirato l'attenzione mondiale.

I materiali VdW sono costituiti da pile di strati ultrasottili tenuti insieme da deboli legami di van der Waals. Il successo del grafene, il materiale stellare di vdW, ha stimolato gli scienziati a cercare altri cristalli 2-D con strati che possono essere modificati, aggiunti o rimossi per introdurre nuove proprietà fisiche, come il magnetismo.

In che modo i materiali diventano magnetici?

Ogni elettrone in un materiale agisce come una minuscola bussola con i suoi poli nord e sud. L'orientamento di questi "aghi della bussola" determina la magnetizzazione. Più specificamente, la magnetizzazione deriva dallo spin degli elettroni (momento magnetico) e dipende dalla temperatura. Un ferromagnete, come una normale calamita da frigo, acquisisce le sue proprietà magnetiche al di sotto della temperatura di transizione magnetica—temperatura di Curie (Tc). Quando tutti i momenti magnetici sono allineati, tutti gli "aghi della bussola" puntano nella stessa direzione. Al contrario, altri materiali sono antiferromagnetici, il che significa che al di sotto della temperatura di transizione, chiamata temperatura di Neel (TN), gli "aghi della bussola" puntano nella direzione opposta. Per temperature superiori a Tc o TN, i singoli momenti atomici non sono allineati, e i materiali perdono le loro proprietà magnetiche.

Però, la situazione può cambiare drasticamente riducendo i materiali alla scala nanometrica 2-D. Una fetta ultrasottile di una calamita da frigo probabilmente mostrerà caratteristiche diverse dall'intero oggetto. Questo perché i materiali 2-D sono più sensibili alle fluttuazioni di temperatura, che può distruggere lo schema degli "aghi della bussola" ben allineati. Per esempio, magneti sfusi convenzionali, come ferro e nichel, hanno un Tc molto più basso in 2-D che in 3-D. In altri casi, il magnetismo in 2-D dipende molto dallo spessore:il triioduro di cromo (CrI3) è ferromagnetico come monostrato, antiferromagnetico come doppio strato, e ancora ferromagnetico come tristrato. Però, ci sono altri esempi, come il ferro tritioipofosfato (FePS3), che mantiene notevolmente intatto il suo ordinamento antiferromagnetico fino al monostrato.

La chiave per produrre materiali magnetici 2-D è domare le loro fluttuazioni di spin. I materiali bidimensionali con una direzione di rotazione preferita (anisotropia magnetica) hanno maggiori probabilità di essere magnetici. L'anisotropia può essere introdotta anche artificialmente aggiungendo difetti, droganti magnetici o giocando con l'interazione tra lo spin dell'elettrone e il campo magnetico generato dal movimento dell'elettrone attorno al nucleo. Però, questi sono tutti metodi tecnicamente impegnativi.

Park lo spiega con un'analogia:"È come supervisionare un gruppo di bambini irrequieti e che si comportano male, dove ogni bambino rappresenta una bussola atomica. vuoi metterli in fila, ma preferirebbero giocare. È un compito difficile, come ti direbbe qualsiasi maestra d'asilo. Avresti bisogno di conoscere con precisione i movimenti di ciascuno di essi nel tempo e nello spazio. E per controllarli, devi rispondere proprio lì e poi, che è tecnicamente molto difficile."

Diverse domande fondamentali possono essere risolte grazie ai materiali vdW magnetici 2-D. In particolare, I materiali vdW sono un banco di prova per trovare prove sperimentali per alcuni modelli matematico-fisici che rimangono ancora irrisolti. Questi modelli spiegano il comportamento di transizione magnetica in relazione allo spin. In particolare, il modello di Ising descrive gli spin ("aghi della bussola") vincolati a puntare verso l'alto o verso il basso, perpendicolare al piano. Il modello XY consente agli spin di puntare in qualsiasi direzione sul piano, e infine, nel modello di Heisenberg, i giri sono liberi di puntare in qualsiasi x, si, direzione z.

Nel 2016, Gli scienziati dell'IBS del gruppo del Prof. Park hanno trovato la prima prova sperimentale della soluzione Onsager per il modello di Ising. Hanno scoperto che il Tc di FePS3 è 118 Kelvin, o meno 155 gradi Celsius, sia in 3-D che in 2-D. Però, i modelli XY e Heisenberg in 2-D hanno incontrato più barriere sperimentali, e mancano ancora una prova dopo 50 anni.

"La scoperta del grafene mi ha portato a chiedermi se potevo introdurre il magnetismo in materiali 2-D simili al grafene, " spiega Park. "I fisici hanno ereditato la sfida di studiare e spiegare le proprietà fisiche del mondo bidimensionale. Nonostante la sua importanza accademica e applicabilità, questo campo è molto poco esplorato, " Aggiunge.

Gli scienziati sono anche desiderosi di esplorare modi per controllare e manipolare elettricamente le proprietà magnetiche di questi materiali, otticamente e meccanicamente. La loro magrezza li rende più suscettibili agli stimoli esterni. è un limite, ma può anche essere un potenziale. Per esempio, il magnetismo può anche essere indotto o regolato dalla tensione, oppure disponendo gli strati sovrapposti secondo uno schema specifico, noto come motivo moiré.

Applicazioni previste dei materiali magnetici vdW

Sebbene diverse domande fondamentali siano ancora in attesa di risposta, il controllo e la modifica degli spin e delle strutture magnetiche degli elettroni dovrebbe portare a diversi risultati desiderabili. Questo Natura Perspective Review elenca le possibili direzioni di ricerca per il futuro.

Una delle applicazioni più ricercate è l'uso dello spin per memorizzare e codificare le informazioni. Gli spin controllati potrebbero sostituire gli attuali piatti del disco rigido, e persino diventare la chiave per l'informatica quantistica. In particolare, la spintronica mira a controllare lo spin degli elettroni. I materiali bidimensionali sono buoni candidati, in quanto richiederebbero un consumo energetico inferiore rispetto alle loro controparti 3-D. Un'ipotesi interessante è quella di immagazzinare la memoria a lungo termine in modelli di poli magnetici orientati chiamati skyrmioni nei materiali magnetici.

potenzialmente, i materiali vdW potrebbero svelare uno stato esotico della materia, come i liquidi di spin quantistico, un ipotetico stato della materia caratterizzato da "aghi della bussola" disordinati anche a temperature estremamente basse, e dovrebbe ospitare gli sfuggenti fermioni di Majorana, particelle che sono state teorizzate, ma mai osservato.

Inoltre, sebbene la superconduttività e il magnetismo non possano essere facilmente alloggiati nello stesso materiale, armeggiare con l'ordine delle rotazioni potrebbe produrre nuovi, superconduttori non convenzionali.

Infine, sebbene l'elenco dei materiali vdW sia cresciuto molto rapidamente negli ultimi anni, Finora sono stati scoperti meno di 10 materiali magnetici vdW. Progettare più materiali, soprattutto materiali che possono essere utilizzati a temperatura ambiente, è anche un obiettivo importante dei fisici della materia condensata.