Sincrotrón ALBA
Un equipo de investigación ha descubierto un nuevo fenómeno en un material magnético extremadamente delgado: un imán de van der Waals bidimensional de tan solo tres átomos de espesor. Han descubierto que la dirección preferida de magnetización (el eje magnético fácil) puede modificarse por el efecto de proximidad de un sustrato. Los imanes de van der Waals bidimensionales son materiales prometedores para los dispositivos espintrónicos de próxima generación. Las técnicas de sincrotrón, empleadas en las líneas de luz BOREAS de ALBA y DEIMOS de SOLEIL, han sido fundamentales para comprender las propiedades magnéticas de estos materiales.
Los materiales bidimensionales (2D) de van der Waals (vdW) son materiales extremadamente delgados, compuestos por solo unas pocas capas atómicas. En particular, los imanes 2D vdW han atraído la atención de la ciencia debido a sus posibles aplicaciones en los dispositivos espintrónicos de próxima generación; y se están explorando activamente diversos nuevos imanes 2D vdW y sus propiedades físicas. Una característica fascinante de los materiales 2D vdW es que distintos materiales 2D se pueden apilar para construir heteroestructuras de vdW, que son materiales artificiales que no existen en la naturaleza y que pueden poseer propiedades físicas novedosas al interactuar entre sí mediante efectos de proximidad en sus interfaces. En las heteroestructuras que incluyen imanes 2D vdW, aunque el efecto de proximidad desde los imanes 2D hacia los materiales no magnéticos adyacentes se ha estudiado ampliamente, los efectos de proximidad de los materiales no magnéticos hacia los imanes 2D vdW se han investigado mucho menos.
Ahora, un equipo de investigación liderado por el Dr. Shigemi Terakawa (Universidad de Osaka), Sr. Binbin Liu (Escuela Politécnica Federal de Lausana), Prof. Titus Neupert (Universidad de Zúrich), Prof. Stuart S.P. Parkin y Prof. Niels B.M. Schröter (Instituto Max Planck de Física de Microestructuras), y el Dr. Amilcar Bedoya-Pinto (Universidad de Valencia), ha descubierto que la dirección preferida de magnetización en los imanes 2D vdW (el eje magnético fácil) puede verse modificada por un efecto de proximidad de un sustrato.
Los resultados revelan que las propiedades magnéticas y los estados electrónicos interfaciales de los imanes 2D vdW pueden verse fuertemente influidos por los efectos de proximidad con los sustratos. Esto ofrece nuevas estrategias para diseñar y controlar las propiedades magnéticas y electrónicas de los dispositivos espintrónicos basados en imanes 2D vdW y sus heteroestructuras.
En el estudio, los investigadores se centran en el cloruro de hierro(II) (FeCl2),que en su forma cristalina macroscópica es un antiferromagneto en capas. Lograron con éxito fabricar películas epitaxiales ultrafinas de FeCl2 sobre un sustrato de bismuto mediante epitaxia por haces moleculares.
Mediciones de dicroísmo circular magnético de rayos X (XMCD) realizadas en la línea de luz BOREAS del ALBA y en la línea de luz DEIMOS del sincrotrón SOLEIL revelaron que el eje magnético fácil de la monocapa de FeCl2 se reorienta hacia una dirección predominantemente en el plano, en contraste con la anisotropía magnética fuera del plano observada en el FeCl2 en volumen. Esta reorientación desaparece en el FeCl2 bicapa, donde el eje magnético fácil recupera su orientación intrínseca fuera del plano.
Esta reorientación de la anisotropía magnética no se atribuye al propio espesor de la “monocapa” en sí, sino a una “efecto de proximidad” procedente del sustrato de bismuto, porque el eje fácil fuera del plano permanece incluso en la monocapa en la película de FeCl2 cultivada sobre un sustrato de oro. Esta es la primera demostración experimental que un material no magnético puede inducir una reorientación de la anisotropía magnética en un imán 2D vdW.
Además, la investigación reveló estados electrónicos de interfaz entre la monocapa de FeCl2 y la superficie de bismuto utilizando espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo (ARPES) realizada en la línea de luz Bloch de Max IV. Un análisis detallado de la superficie de Fermi mostró que estos estados de interfaz surgen de los estados superficiales del bismuto, modificados por la transferencia de carga y el potencial de moiré formado por la capa superior del FeCl2. Cálculos de tight-binding revelaron que estos estados de interfaz presentan una característica forma de trébol.
Estos resultados demuestran que los efectos de proximidad entre imanes 2D vdW y sustratos no magnéticos influyen de manera significativa tanto en las propiedades magnéticas como en los estados electrónicos interfaciales. Estos hallazgos representan un paso importante hacia el diseño futuro de dispositivos espintrónicos basados en imanes 2D vdW y sus heteroestructuras.