Els materials bidimensionals (2D) de van der Waals (vdW) són materials extremadament prims, formats només per molt poques capes atòmiques. En particular, els imants 2D vdW han atret latenció de la ciència a causa de les seves possibles aplicacions en els dispositius espintrònics de propera generació; i s'estan explorant activament diversos imants 2D vdW i les seves propietats físiques. Una característica fascinant dels materials 2D vdW és que diferents materials 2D es poden apilar per construir heteroestructures de vdW, que són materials artificials que no existeixen a la natura i que poden posseir propietats físiques noves en interactuar entre sí mitjançant efectes de proximitat a les seves interfícies. A les heteroestructures que inclouen imants 2D vdW, encara que l'efecte de proximitat des dels imants 2D cap als materials no magnètics adjacents s'ha estudiat àmpliament, els efectes de proximitat dels materials no magnètics cap als imants 2D vdW s'han investigat molt menys.

Ara, un equip de recerca liderat pel Dr. Shigemi Terakawa (Universitat d'Osaka), Sr. Binbin Liu (Escola Politècnica Federal de Lausana), Prof. Titus Neupert (Universitat de Zuric), Prof. Stuart S.P. Parkin i Prof. Niels B.M. Schröter (Institut Max Planck de Física de Microestructures), i el Dr. Amilcar Bedoya-Pinto (Universitat de València), ha descobert que la direcció preferida de magnetització als imants 2D vdW (l'eix magnètic fàcil) es pot veure modificada per un efecte de proximitat d'un substrat.

Els resultats revelen que les propietats magnètiques i els estats electrònics interfacials dels imants 2D vdW es poden veure fortament influïts pels efectes de proximitat amb els substrats. Això ofereix noves estratègies per dissenyar i controlar les propietats magnètiques i electròniques dels dispositius espintrònics basats en imants 2D vdW i les seves heteroestructures.

A l'estudi, els investigadors se centren en el clorur de ferro(II) (FeCl₂),que en la seva forma cristal·lina macroscòpica és un antiferromagnet en capes. Van aconseguir amb èxit fabricar pel·lícules epitaxials ultrafines de FeCl₂ sobre un substrat de bismut mitjançant epitàxia per feixos moleculars.

Mesures de dicroisme circular magnètic de raigs X (XMCD) realitzades a la línia de llum BOREAS de l'ALBA i a la línia de llum DEIMOS del sincrotró SOLEIL van revelar que l'eix magnètic fàcil de la monocapa de FeCl₂ es reorienta cap a una direcció predominantment en el pla, en contrast amb l'anisotropia magnètica fora del pla observada al FeCl₂ en volum. Aquesta reorientació desapareix al FeCl₂ bicapa, on l'eix magnètic fàcil recupera la seva orientació intrínseca fora del pla.

Aquesta reorientació de la anisotropia magnètica no s'atribueix al propi gruix de la “monocapa”, sinó a una “efecte de proximitat” procedent del substrat de bismut, perquè l'eix fàcil fora del pla roman fins i tot a la monocapa a la pel·lícula de FeCl₂ cultivada sobre un substrat d'or. Aquesta és la primera demostració experimental que un material no magnètic pot induir una reorientació de l'anisotropia magnètica en un imant 2D vdW.

A més, la investigació ha revelat estats electrònics d'interfície entre la monocapa de FeCl₂ i la superfície de bismut utilitzant espectroscòpia de fotoemissió resolta en angle (ARPES) realitzada a la línia de llum Bloch de Max IV. Una anàlisi detallada de la superfície de Fermi va mostrar que aquests estats d'interfície sorgeixen dels estats superficials del bismut, modificats per la transferència de càrrega i el potencial de moiré format per la capa superior del FeCl₂. Càlculs de tight-binding van revelar que aquests estats d'interfície presenten una característica forma de trèvol.

Aquests resultats demostren que els efectes de proximitat entre imants 2D vdW i substrats no magnètics influeixen de manera significativa tant a les propietats magnètiques com als estats electrònics interfacials. Aquestes troballes representen un pas important cap al disseny futur de dispositius espintrònics basats en imants 2D vdW i les seves heteroestructures.