I materiali più sottili al mondo hanno lo spessore di un solo atomo. Questo tipo di materiali bidimensionali o 2D, come il grafene, noto per essere costituito da un singolo strato di atomi di carbonio, stanno suscitando grande entusiasmo tra i team di ricerca di tutto il mondo. Questo perché questi materiali promettono proprietà insolite che non possono essere ottenute utilizzando materiali tridimensionali. Di conseguenza, i materiali 2D stanno aprendo la porta a nuove applicazioni in campi come la tecnologia dell'informazione e della visualizzazione, nonché per componenti critici in sensori estremamente sensibili.

Le strutture note come monostrati di van-der-Waals stanno suscitando particolare interesse. Si tratta di combinazioni di due o più strati di materiali diversi che hanno ciascuno uno spessore di un solo atomo, con gli strati tenuti l'uno all'altro da deboli forze elettrostatiche di van-der-Waals. Selezionando il tipo e la sequenza degli strati di materiale legati in questo modo, è possibile scegliere e modificare specifiche caratteristiche elettriche, magnetiche e ottiche. Tuttavia, non è stata ancora raggiunta una deposizione omogenea su scala di singoli strati di van-der-Waals aventi proprietà ferromagnetiche. Eppure è proprio questo tipo di magnetismo su scala più ampia che è particolarmente importante per diverse potenziali applicazioni, ad esempio per una nuova forma di memoria non volatile.

Gli scienziati del Max Planck Institute for Microstructure Physics di Halle, in Germania, della sorgente di luce di sincrotrone ALBA di Barcellona, ​​in Spagna, e dell'Helmholtz-Zentrum di Berlino sono riusciti per la prima volta a creare un materiale bidimensionale uniforme e a dimostrare un aspetto esotico comportamento ferromagnetico al suo interno noto come magnetismo "easy-plane".

Uno strato quasi fluttuante di cromo e cloro

I ricercatori tedeschi e spagnoli hanno utilizzato cloruro di cromo (CrCl₃ ) come materiale, che nella struttura assomiglia al composto corrispondente fatto di cromo e iodio, ma può essere considerevolmente più robusto. Il team di Halle ha depositato uno strato monoatomico su macroscala di questo materiale su un substrato di carburo di silicio rivestito di grafene utilizzando l'epitassia a fascio molecolare. Lo scopo del grafene era ridurre l'interazione tra cloruro di cromo e carburo di silicio e quindi impedire al substrato di influenzare le proprietà del monoatomico CrCl₃ strato. Questa è stata la chiave per accedere all'inafferrabile anisotropia magnetica del piano facile", spiega il dott. Amilcar Bedoya-Pinto, ricercatore nel gruppo del Prof. Stuart Parkin al Max Planck Institute di Halle. "In sostanza, abbiamo ottenuto un effetto quasi fluttuante, strato ultrasottile che era legato allo strato intermedio di grafene solo da deboli forze di van-der-Waals."

L'obiettivo del team era rispondere alla domanda su come si manifesta l'ordine magnetico nel cloruro di cromo quando è costituito da un solo strato monoatomico. Nella sua normale forma tridimensionale, la sostanza è antiferromagnetica. Di conseguenza, i momenti magnetici degli atomi sono orientati in direzioni opposte in ogni strato, il che fa sembrare il materiale non magnetico alla rinfusa. Considerazioni teoriche finora hanno suggerito che l'ordinamento magnetico viene perso o mostra una debole magnetizzazione convenzionale quando il materiale viene ridotto a un singolo strato atomico.

Misurazioni precise presso la struttura VEKMAG

Tuttavia, gli scienziati sono ora riusciti a confutarlo, esaminando in dettaglio le proprietà magnetiche del materiale 2D. Per fare ciò, hanno utilizzato le capacità uniche della struttura del magnete vettoriale VEKMAG installata presso la sorgente di radiazione di sincrotrone BESSY II di HZB. "Qui è possibile studiare i campioni utilizzando raggi X morbidi in un forte campo magnetico e a temperature vicine allo zero assoluto", afferma il dott. Florin Radu, capo del team di HZB responsabile delle operazioni presso la struttura VEKMAG. "Questi aspetti rendono la struttura unica al mondo", aggiunge lo scienziato berlinese. Ha consentito ai membri del team di Halle di determinare l'orientamento dei singoli momenti magnetici e di distinguere accuratamente tra cromo e atomi di cloro.

Durante le misurazioni, i ricercatori hanno osservato come si formasse un ordine ferromagnetico nel materiale bidimensionale al di sotto di una certa temperatura, la cosiddetta temperatura di Curie. "Nello strato monoatomico di cloruro di cromo, si è verificata una transizione di fase caratteristica dei magneti easy-plane che non era mai stata osservata prima in un materiale così 2D", riferisce Bedoya-Pinto.

Sostegno allo sviluppo della spintronica

La scoperta non offre solo nuove intuizioni sul comportamento magnetico dei materiali bidimensionali. "Ora abbiamo anche un'eccellente piattaforma per esplorare una varietà di fenomeni fisici che esistono solo nei magneti bidimensionali", Bedoya-Pinto è lieto di dire, come il trasporto superfluido (senza perdite) di spin, che è una sorta di intrinseco quantità di moto di elettroni e altre particelle. Queste sono le basi per una nuova forma di elaborazione dei dati che, a differenza dell'elettronica convenzionale, utilizza momenti magnetici anziché cariche elettriche. Conosciuto come spintronica, questo sta attualmente rivoluzionando la memorizzazione dei dati e l'elaborazione delle informazioni. Le nuove intuizioni acquisite in HZB potrebbero dare impulso a questo sviluppo. + Esplora ulteriormente

Visualizzazione della struttura atomica e del magnetismo degli isolanti magnetici 2-D