I materiali magnetici bidimensionali sono stati acclamati come elementi costitutivi per la prossima generazione di dispositivi elettronici piccoli e veloci. Questi materiali, costituiti da strati di lastre cristalline spesse solo pochi atomi, ottengono le loro proprietà magnetiche uniche dagli spin intrinseci dei loro elettroni, simili ad aghi di bussola. La magrezza su scala atomica dei fogli significa che questi giri possono essere manipolati sulle scale più sottili utilizzando campi elettrici esterni, portando potenzialmente a nuovi sistemi di archiviazione dati e elaborazione delle informazioni a bassa energia. Ma sapere esattamente come progettare materiali 2D con proprietà magnetiche specifiche che possono essere manipolate con precisione rimane un ostacolo alla loro applicazione.

Ora, come riportato nella rivista Science Advances , i ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), dell'UC Berkeley, della Cornell e della Rutgers University hanno scoperto materiali 2D stratificati che possono ospitare caratteristiche magnetiche uniche che rimangono stabili a temperatura ambiente e potrebbero quindi essere utilizzati nei futuri dispositivi di tutti i giorni. Le immagini su scala atomica del materiale rivelano le precise caratteristiche chimiche e strutturali che sono responsabili di queste caratteristiche e della loro stabilità.

I ricercatori del Berkeley Lab hanno una comprovata esperienza nell'identificazione di proprietà magnetiche inaspettate in strati atomicamente sottili di cristalli sfusi, molti basati su materiali semiconduttori drogati con atomi di metallo. Lo studente laureato della UC Berkeley Tyler Reichanadter, coautore dello studio, ha calcolato come la struttura elettronica dei comuni materiali 2D potrebbe cambiare scambiando atomi diversi, in questo caso parte del ferro con il cobalto. Questo particolare scambio si traduce in una struttura cristallina che non può essere sovrapposta alla sua immagine speculare e porta alla possibilità di disposizioni di rotazione esotiche, simili a vortici, chiamate skyrmion, che vengono esplorate come elementi costitutivi del futuro calcolo a bassa potenza.

I coautori dello studio Hongrui Zhang, un ricercatore post-dottorato presso l'UC Berkeley, e Xiang Chen, un ricercatore post-dottorato presso il Berkeley Lab e l'UC Berkeley, hanno utilizzato strutture di crescita dei cristalli per esplorare alcuni dei materiali 2D più promettenti, tra cui il tellururo di ferro germanio drogato con cobalto ( Fe₅ GeTe₂ ) sotto forma di nanoflakes. Fe₅ GeTe₂ è un tipico materiale magnetico 2D grazie alla sua struttura a strati unica e alla simmetria cristallina, con atomi di ferro che occupano punti specifici all'interno della struttura cristallina. Hanno scoperto che sostituendo esattamente la metà degli atomi di ferro con atomi di cobalto, la cui configurazione elettronica leggermente diversa significava che gli atomi occupavano naturalmente punti leggermente diversi nel cristallo, potevano rompere spontaneamente la simmetria cristallina naturale del materiale, che a sua volta ne alterava la struttura di rotazione.

"Non è facile da fare. Queste strutture richiedono giorni o mesi per essere sintetizzate e abbiamo attraversato centinaia di cristalli", ha affermato Chen, esperto nella sintesi di materiali così complessi.

I coautori Sandhya Susarla, ricercatrice post-dottorato del Berkeley Lab, e Yu-tsun Shao, ricercatrice post-dottorato alla Cornell, hanno confermato la struttura su scala atomica e la struttura elettronica dei materiali complessi utilizzando le capacità di microscopia elettronica presso il National Center for Electron Microscopy presso il Fonderia Molecolare.

"Questa è pura scienza della scoperta e completamente inaspettata", ha affermato Ramamoorthy Ramesh, uno scienziato senior della facoltà della Divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e autore corrispondente senior dell'articolo. "Il team stava cercando di manipolare la struttura elettronica e ha scoperto che, rompendo la simmetria, il materiale poteva ospitare skyrmion."

Zhang ha utilizzato la microscopia a forza magnetica per visualizzare gli skyrmion su vaste aree di tali cristalli. Seguendo l'evoluzione degli skyrmion in funzione della temperatura e del campo magnetico, i ricercatori hanno stabilito le condizioni fisiche che hanno portato alla loro stabilità. Inoltre, facendo passare una corrente elettrica attraverso il materiale, i ricercatori hanno scoperto che potrebbero causare lo spostamento degli skyrmion all'interno del materiale, indipendentemente dagli atomi che hanno portato alla loro formazione in primo luogo.

Infine, David Raftrey, un ricercatore laureato del Berkeley Lab e dell'UC Santa Cruz, ha eseguito simulazioni micromagnetiche per interpretare i modelli elettronici osservati in quei materiali.

Poiché i materiali stratificati possono essere realizzati con un'ampia gamma di spessori a temperatura ambiente e oltre, i ricercatori ritengono che le loro proprietà magnetiche possano essere migliorate ed espanse. "Siamo interessati alla microelettronica, ma le domande fondamentali sulla fisica dei materiali ci ispirano davvero", ha affermato Zhang. + Esplora ulteriormente

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