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Izquierda: espectro XMCD de Cr L23 de una monocapa de CrCl3 a T=2K y B=6T, que muestra una gran señal magnética XMCD de los átomos de Cr que superan el 100% (borde L3). BOREAS. Derecha: topografía STM de una monocapa CrCl3 cultivada en grafeno/6H-SiC(0001). Recuadro: una imagen topográfica ampliada que revela los límites del grano. MPI. © Science, doi: 10.1126/science.abd5146
Cerdanyola del Vallès, 16 diciembre 2021 Los materiales más delgados del mundo tienen solo un átomo de grosor. Este tipo de materiales bidimensionales o 2D, como el grafeno (conocido por constar de una sola capa de átomos de carbono), están causando un gran entusiasmo entre los equipos de investigación de todo el mundo. Esto se debe a que estos materiales prometen propiedades inusuales que no se pueden obtener con materiales tridimensionales. Como resultado, los materiales 2D están abriendo la puerta a nuevas aplicaciones en campos como la tecnología de la información, así como para componentes críticos en sensores extremadamente sensibles.
Las estructuras conocidas como monocapas de van-der-Waals despiertan especial interés. Se trata de combinaciones de dos o más capas de diferentes materiales, cada una de las cuales tiene un solo átomo de espesor, con las capas unidas entre sí por débiles fuerzas electrostáticas de van-der-Waals. Seleccionando el tipo y secuencia de capas de material unidas de esta manera, se pueden elegir y modificar las características eléctricas, magnéticas y ópticas de forma específica. Sin embargo, todavía no se ha logrado la deposición homogénea a escala de las capas individuales de van-der-Waals que tienen propiedades ferromagnéticas. Aun así, es precisamente este tipo de magnetismo a mayor escala el que es particularmente importante para varias aplicaciones potenciales, como por ejemplo, para una nueva forma de memoria no volátil.
Un equipo internacional del Instituto Max Planck de Física de Microestructuras en Halle, Alemania, del Sincrotrón ALBA y del Helmholtz-Zentrum Berlin ha logrado por primera vez crear un material bidimensional ferromagnético uniforme y demostrar que también pueden existir ferromagnetos bidimensionales con la, hasta ahora, esquiva anisotropía magnética en el plano. Mediante un preciso análisis de la dependencia a la temperatura de la magnetización para derivar los exponentes críticos, ha sido posible concluir que este es un primer caso de la llamada clase de universalidad de ferromagnetos bidimensionales XY.
Una capa casi flotante de cromo y cloro
Los investigadores han utilizado cloruro de cromo (CrCl3) como material, que se asemeja al compuesto correspondiente hecho de cromo y yodo en estructura, pero puede ser considerablemente más robusto. El equipo de Halle depositó a macroescala una capa monoatómica de este material sobre un sustrato de carburo de silicio recubierto de grafeno utilizando epitaxia de haz molecular. El propósito del grafeno era reducir la interacción entre el cloruro de cromo y el carburo de silicio y así evitar que el sustrato influyera en las propiedades de la capa monoatómica de CrCl3. Esta fue la clave para acceder a la esquiva anisotropía magnética de plano”, explica el Dr. Amilcar Bedoya-Pinto, investigador del grupo del profesor Stuart Parkin en el Instituto Max Planck en Halle. "Básicamente, obtuvimos una capa ultrafina que flotaba casi libremente, solo estaba unida a la capa intermedia de grafeno por fuerzas débiles de van-der-Waals".
El objetivo del equipo científico era responder a la pregunta de cómo se manifiesta el orden magnético en el cloruro de cromo cuando consta de una sola capa monoatómica. En su forma tridimensional normal, la sustancia es antiferromagnética. Como resultado, los momentos magnéticos de los átomos se orientan en direcciones opuestas en cada capa, lo que hace que el material parezca no magnético. Las consideraciones teóricas hasta ahora sugirieron que el orden magnético se pierde o exhibe una magnetización convencional débil cuando el material se reduce a una sola capa atómica.
Mediciones clave de dicroísmo circular magnético de rayos X
Sin embargo, los científicos ahora han logrado refutar esto, al observar en detalle las propiedades magnéticas del material 2D. Para hacerlo, utilizaron las capacidades únicas que brindan las líneas de luz BOREAS en ALBA y VEKMAG en BESSY II, donde es posible investigar muestras magnéticas usando rayos X suaves en un campo magnético fuerte y a temperaturas cercanas al cero absoluto. Utilizando una técnica conocida como dicroísmo circular magnético de rayos X es posible realizar mediciones magnéticas con mayor precisión y confiabilidad que la magnetometría convencional (SQUID), disponible en los laboratorios, al explotar la especificidad del elemento habilitada por la radiación de sincrotrón para detectar la pequeña señal de la radiación de la fina capa atómica con un fondo mínimo. Esto permitió a los miembros del equipo de Halle determinar la orientación de momentos magnéticos individuales y distinguir con precisión entre átomos de cromo y cloro.
Durante las mediciones, los investigadores observaron cómo se formaba un orden ferromagnético en el material bidimensional por debajo de una determinada temperatura, lo que se conoce como temperatura de Curie. “En la capa monoatómica de cloruro de cromo, tuvo lugar una característica transición de fase de los imanes de anisotropía magnética en el plano que nunca antes se había observado en un material 2D de este tipo”, informa Bedoya-Pinto.
Viento en popa para el desarrollo de la espintrónica
El descubrimiento no solo ofrece nuevos conocimientos sobre el comportamiento magnético de materiales bidimensionales. “Ahora también tenemos una excelente plataforma para explorar una variedad de fenómenos físicos que solo existen en imanes bidimensionales”, se complace en decir Bedoya-Pinto; como el transporte superfluido (sin pérdidas) de espín, que es una especie de momento intrínseco angular de los electrones y otras partículas. Estos son la base de una nueva forma de procesamiento de datos que, a diferencia de la electrónica convencional, utiliza momentos magnéticos en lugar de cargas eléctricas. Conocida como espintrónica, actualmente está revolucionando el almacenamiento de datos y el procesamiento de la información.
Referencia: Amilcar Bedoya-Pinto, Jing-Rong Ji, Avanindra Pandeya, Pierluigi Gargiani, Manuel Valvidares, Paolo Sessi, James Taylor, Florin Radu, Kai Chang and Stuart S.P. Parkin. Intrinsic 2D-XY ferromagnetism in a van der Waals monolayer. Science (2021). DOI: 10.1126/science.abd5146
Adaptación de la noticia original del HZB: https://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/news_seite?nid=23222;sprache=en;seitenid=50730
Con la colaboración de la Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología. El Sincrotrón ALBA forma parte de la red de Unidades de Cultura Científica y de la Innovación (UCC+i) de la Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología (FECYT) y ha recibido apoyo a través del proyecto FCT-20-15798.
