I ricercatori guidati dal professor Pablo Jarillo-Herrero del Dipartimento di Fisica del MIT lo scorso anno hanno mostrato che strati rotanti di grafene a struttura esagonale con un particolare "angolo magico" potrebbero cambiare le proprietà elettroniche del materiale da uno stato isolante a uno stato superconduttore. Ora i ricercatori dello stesso gruppo e i loro collaboratori hanno dimostrato che in un diverso materiale ultrasottile che presenta anche una struttura atomica a forma di nido d'ape:il tricloruro di cromo (CrCl ₃ ):possono alterare le proprietà magnetiche del materiale spostando l'ordine di sovrapposizione degli strati.

I ricercatori hanno rimosso strati bidimensionali (2-D) di tricloruro di cromo usando del nastro adesivo nello stesso modo in cui i ricercatori staccano il grafene dalla grafite. Quindi hanno studiato le proprietà magnetiche del tricloruro di cromo 2-D utilizzando il tunneling elettronico. Hanno scoperto che il magnetismo è diverso nei cristalli 2-D e 3-D a causa delle diverse disposizioni di impilamento tra gli atomi negli strati adiacenti.

Ad alte temperature, ogni atomo di cromo nel tricloruro di cromo ha un momento magnetico che fluttua come un minuscolo ago di bussola. Gli esperimenti mostrano che quando la temperatura scende sotto i 14 kelvin (-434,47 gradi Fahrenheit), profondo nell'intervallo di temperatura criogenico, questi momenti magnetici si congelano in uno schema ordinato, che punta in direzioni opposte in strati alternati (antiferromagnetismo). La direzione magnetica di tutti gli strati di tricloruro di cromo può essere allineata applicando un campo magnetico. Ma i ricercatori hanno scoperto che nella sua forma 2-D, questo allineamento ha bisogno di una forza magnetica 10 volte più forte che nel cristallo 3-D. I risultati sono stati recentemente pubblicati online in Fisica della natura .

"Quello che stiamo vedendo è che è 10 volte più difficile allineare gli strati nel limite sottile rispetto alla massa, che misuriamo utilizzando il tunneling elettronico in un campo magnetico, " dice la studentessa laureata in fisica del MIT Dahlia R. Klein, un ricercatore laureato della National Science Foundation e uno degli autori principali dell'articolo. I fisici chiamano l'energia necessaria per allineare la direzione magnetica degli strati opposti l'interazione di scambio interstrato. "Un altro modo di pensarlo è che l'interazione di scambio tra strati è quanto gli strati adiacenti vogliono essere anti-allineati, " suggerisce il collega autore principale e postdoc del MIT David MacNeill.

I ricercatori attribuiscono questo cambiamento di energia alla disposizione fisica leggermente diversa degli atomi nel cloruro di cromo 2-D. "Gli atomi di cromo formano una struttura a nido d'ape in ogni strato, quindi è fondamentalmente impilare i favi in ​​modi diversi, " dice Klein. "La cosa importante è che stiamo dimostrando che gli ordini magnetici e di impilamento sono strettamente collegati in questi materiali".

"Il nostro lavoro evidenzia come le proprietà magnetiche dei magneti 2-D possono differire in modo molto sostanziale dalle loro controparti 3-D, " afferma l'autore senior Pablo Jarillo-Herrero, il Cecil e Ida Green Professore di Fisica. "Ciò significa che ora abbiamo una nuova generazione di materiali magnetici altamente sintonizzabili, con importanti implicazioni sia per i nuovi esperimenti di fisica fondamentale sia per le potenziali applicazioni nella spintronica e nelle tecnologie dell'informazione quantistica".

Gli strati sono molto debolmente accoppiati in questi materiali, noti come magneti di van der Waals, che è ciò che rende facile rimuovere uno strato dal cristallo 3-D con nastro adesivo. "Proprio come con il grafene, i legami all'interno degli strati sono molto forti, ma ci sono solo interazioni molto deboli tra strati adiacenti, in modo da poter isolare campioni a pochi strati usando il nastro, " dice Klein.

MacNeill e Klein hanno coltivato i campioni di cloruro di cromo, dispositivi nanoelettronici costruiti e testati, e analizzato i loro risultati. I ricercatori hanno anche scoperto che quando il tricloruro di cromo viene raffreddato dalla temperatura ambiente a temperature criogeniche, I cristalli 3-D del materiale subiscono una transizione strutturale che i cristalli 2-D non fanno. Questa differenza strutturale spiega la maggiore energia richiesta per allineare il magnetismo nei cristalli 2-D.

I ricercatori hanno misurato l'ordine di sovrapposizione degli strati 2-D attraverso l'uso della spettroscopia Raman e hanno sviluppato un modello matematico per spiegare l'energia coinvolta nel cambiamento della direzione magnetica. Il coautore e postdoc dell'Università di Harvard, Daniel T. Larson, afferma di aver analizzato un grafico di dati Raman che mostrava variazioni nella posizione del picco con la rotazione del campione di tricloruro di cromo, determinare che la variazione è stata causata dallo schema di impilamento degli strati. "Capitalizzando su questa connessione, Dahlia e David sono stati in grado di utilizzare la spettroscopia Raman per apprendere dettagli sulla struttura cristallina dei loro dispositivi che altrimenti sarebbero molto difficili da misurare, " Spiega Larson. "Penso che questa tecnica sarà un'aggiunta molto utile alla cassetta degli attrezzi per lo studio di strutture e dispositivi ultrasottili." Qian Song, studente laureato del Dipartimento di Scienze e Ingegneria dei Materiali, ha effettuato gli esperimenti di spettroscopia Raman nel laboratorio dell'assistente del MIT professore di fisica Riccardo Comin, entrambi coautori del paper.

"Questa ricerca evidenzia davvero l'importanza di impilare l'ordine per capire come si comportano questi magneti di van der Waals nel limite sottile, " dice Klein.

MacNeill aggiunge, "La domanda sul perché i cristalli 2-D abbiano proprietà magnetiche diverse ci ha lasciato perplessi per molto tempo. Eravamo molto entusiasti di capire finalmente perché questo sta accadendo, ed è a causa della transizione strutturale".

Questo lavoro si basa su due anni di ricerche precedenti sui magneti 2-D in cui il gruppo di Jarillo-Herrero ha collaborato con ricercatori dell'Università di Washington, guidato dal professor Xiaodong Xu, che ricopre incarichi congiunti nei dipartimenti di Scienza dei Materiali e Ingegneria, Fisica, e Ingegneria Elettrica e Informatica, e altri. Il loro lavoro, che è stato pubblicato in a Natura lettera di giugno 2017, ha mostrato per la prima volta che un materiale diverso con una struttura cristallina simile, il triioduro di cromo (CrI ₃ ) - si comportava anche diversamente nella forma 2-D rispetto alla massa, con campioni a pochi strati che mostrano antiferromagnetismo a differenza dei cristalli 3-D ferromagnetici.

Il gruppo di Jarillo-Herrero ha continuato a esibirsi a maggio 2018 Scienza carta che il triioduro di cromo ha mostrato un brusco cambiamento nella resistenza elettrica in risposta a un campo magnetico applicato a bassa temperatura. Questo lavoro ha dimostrato che il tunneling elettronico è una sonda utile per studiare il magnetismo dei cristalli 2-D. Klein e MacNeill sono stati anche i primi autori di questo articolo.

Il professor Xiaodong Xu dell'Università di Washington dice delle ultime scoperte, "Il lavoro presenta un approccio molto intelligente, vale a dire le misure di tunneling combinate con la spettroscopia Raman risolta in polarizzazione. Il primo è sensibile all'antiferromagnetismo intercalare, mentre quest'ultimo è una sonda sensibile di simmetria cristallina. Questo approccio offre un nuovo metodo per consentire ad altri nella comunità di scoprire le proprietà magnetiche dei magneti a strati".

"Questo lavoro è in concerto con molti altri lavori pubblicati di recente, " dice Xu. "Insieme, queste opere svelano l'opportunità unica offerta dai magneti di van der Waals stratificati, vale a dire l'ingegneria dell'ordine magnetico tramite il controllo dell'ordine di accatastamento. È utile per la creazione arbitraria di nuovi stati magnetici, nonché per potenziali applicazioni in dispositivi magnetici riconfigurabili."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.