Le transizioni di fase svolgono un ruolo importante nei materiali. Però, in materiali bidimensionali, il più famoso dei quali è il grafene, le transizioni di fase possono essere molto difficili da studiare. I ricercatori della Delft University of Technology e dell'Università di Valencia hanno sviluppato un nuovo metodo che aiuta a risolvere questo problema. Hanno sospeso strati ultrasottili di materiali 2-D su una cavità e hanno monitorato la frequenza di risonanza delle membrane risultanti utilizzando i laser. I risultati del loro lavoro sono stati pubblicati in Comunicazioni sulla natura .

Dalla scoperta delle eccezionali proprietà elettriche e meccaniche del grafene, il primo materiale bidimensionale (2-D), gli strati con spessori fino a un singolo atomo stanno attirando l'interesse scientifico. Nuove funzionalità e fenomeni emergono con le recenti scoperte di tipi unici di fasi magnetiche ed elettroniche in questi strati, compreso il superconduttore, onde di densità di carica, 2-D Ising fasi antiferromagnetiche e ferromagnetiche. Le transizioni di fase svolgono un ruolo importante nei materiali:ad esempio l'acqua è un liquido a temperatura ambiente e gela al di sotto dello zero centigrado, formando un materiale con proprietà completamente diverse.

Movimento risonante

In grandi campioni, ci sono diverse tecniche per misurare queste transizioni di fase, per esempio misurando il calore specifico che può mostrare brusche variazioni alla transizione di fase. Però, sono disponibili solo pochi metodi per studiare queste transizioni in campioni atomicamente sottili con una massa inferiore a un picogrammo. Questo è particolarmente difficile per gli antiferromagneti isolanti ultrasottili che si accoppiano solo debolmente a sonde magnetiche ed elettroniche.

I ricercatori della Delft University of Technology hanno ora dimostrato che queste fasi possono essere studiate osservando il movimento risonante delle membrane realizzate con questi materiali 2-D. Queste membrane possono essere formate sospendendo un cristallo ultrasottile su una cavità in un substrato, creando così un tamburo su scala nanometrica. "Tracciamo la frequenza di risonanza meccanica di queste membrane utilizzando un laser rosso mentre le mettiamo in movimento a frequenze MHz da un laser blu modulato in potenza", il ricercatore Makars Šiškins spiega

Espansione improvvisa

Quando i ricercatori hanno raffreddato le membrane di FePS ₃ , NiPS ₃ e MnPS ₃ , hanno osservato un improvviso cambiamento nella loro frequenza di risonanza. Šiškins:"È interessante notare che questo cambiamento coincide con la temperatura alla quale questi materiali ordinano i loro spin magnetici in modo antiferromagnetico." La correlazione tra il cambiamento nella frequenza di risonanza e l'ordine magnetico alla temperatura di transizione di fase è una conseguenza dell'espansione improvvisa che si verifica quando il disturbo magnetico aumenta, simile alla transizione di fase da liquido a gas. Questa espansione fa diminuire lo stress meccanico nella membrana, che si traduce in una riduzione della frequenza di risonanza, come in una corda di chitarra.

Il nuovo concetto di misurazione è applicabile a un'ampia varietà di sistemi a membrana sottile con diverse transizioni di fase, come dimostrano i ricercatori osservando l'ordinamento delle onde di densità di carica in TaS ₂ . "Per questa ragione, crediamo che il nostro concetto abbia il potenziale per essere applicato per studiare una vasta gamma di materiali:ferromagneti 2-D, sottili fogli di ossido complesso 2-D e antiferromagneti organici", dice Šiškins. "Ci aspettiamo che questo porterà a una migliore comprensione della termodinamica e dei meccanismi di ordinamento nei materiali bidimensionali".