Los materiales pueden comportarse de maneras sorprendentes cuando se adelgazan capa por capa hasta que tienen solo un átomo de espesor. Un nuevo estudio publicado en Materiales de la naturalezaFísicos dirigidos por investigadores de la Universidad de Texas en Austin han observado una secuencia de estados magnéticos inusuales en un material ultrafino. Sus experimentos confirman un antiguo modelo teórico de magnetismo bidimensional propuesto por primera vez en la década de 1970. El equipo dijo que el descubrimiento podría eventualmente ayudar a inspirar tecnologías altamente compactas que se basan en el control del magnetismo a muy pequeña escala.
La secuencia recientemente observada implica dos cambios importantes en el comportamiento magnético que ocurren cuando algunos elementos se enfrían hacia el cero absoluto. Aunque los científicos han identificado previamente cada transición por separado, este estudio es el primero en observar la secuencia completa que se desarrolla en un solo sistema.
Vórtices magnéticos en cristales ultrafinos.
Para investigar estos efectos, los investigadores enfriaron una lámina atómicamente delgada de trisulfuro de níquel-fósforo (NiPS3) a temperaturas entre -150 y -130 grados Celsius. En este rango, el material entra en un estado magnético especial conocido como fase Berezhinsky-Kosterlitz-Thules (BKT).
En esta etapa, los aspectos magnéticos de los átomos individuales, llamados momentos magnéticos, se organizan en estructuras giratorias conocidas como vórtices. Estos vórtices se forman en pares que giran en direcciones opuestas, uno en el sentido de las agujas del reloj y el otro en el sentido contrario a las agujas del reloj. Cada par está estrechamente conectado.
La fase BKT lleva el nombre del físico Vadim Berezinsky y del premio Nobel J. Tomado de Michael Kosterlitz y David Thouless, quienes recibieron el Premio Nobel de Física en 2016 por su trabajo teórico que describe tales transiciones de fase.
“La fase BKT es particularmente intrigante porque estos vórtices son excepcionalmente fuertes y se predice que se limitarán a unos pocos nanómetros de espesor mientras ocupan solo una capa atómica”, dijo Edoardo Baldini, profesor asistente de física en la UT y líder del estudio. “Debido a su estabilidad y tamaño extremadamente pequeño, estos vórtices ofrecen una nueva ruta para controlar el magnetismo a nanoescala y proporcionar información sobre la física topológica universal en sistemas bidimensionales”.
Una fase ordenada del vórtice magnético.
Cuando la temperatura cae aún más, el material pasa a un segundo estado magnético conocido como fase ordenada del reloj de seis estados. En esta configuración, los momentos magnéticos están alineados en una de seis direcciones posibles relacionadas por simetría.
Tanto la fase BKT observada como la fase ordenada de baja temperatura confirman la realización experimental del modelo de reloj bidimensional de seis estados. Este marco teórico, introducido en la década de 1970, predice la secuencia precisa de las fases magnéticas observadas en los experimentos.
“En este punto, nuestro trabajo demuestra la secuencia completa de fases esperadas para un modelo de reloj bidimensional de seis estados y establece las condiciones bajo las cuales los vórtices magnéticos a nanoescala emergen naturalmente en un imán puramente bidimensional”, dijo Baldini.
Hacia futuras tecnologías magnéticas a nanoescala
Los investigadores ahora planean explorar cómo estabilizar fases magnéticas similares a temperaturas cada vez más altas. Idealmente, esperan descubrir materiales que puedan mantener estos efectos cerca de la temperatura ambiente. Esta primera demostración proporciona un punto de partida clave para ese esfuerzo.
Los resultados también sugieren que muchos otros materiales magnéticos bidimensionales pueden albergar fases magnéticas previamente desconocidas. Esta posibilidad podría conducir a nuevos descubrimientos en física fundamental, así como a conceptos futuros para dispositivos electrónicos a nanoescala.
Equipo de investigación y financiación.
El proyecto recibió apoyo inicial de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) a través del Centro de Dinámica y Control de Materiales de la UT, un Centro de Ingeniería y Ciencia de Investigación de Materiales de NSF. El grupo de Baldini también recibió financiamiento de Con cariño, Tito; Fundación Robert A. Welch; Fundación WM Cake; NSF a través de un premio a la carrera; por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU. a través de un premio del Programa de Jóvenes Investigadores; y la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU.
Los tres autores principales del estudio, Baldini, Alan McDonald y Xiaoqin “Elaine” Li, son físicos de la UT y miembros del Texas Quantum Institute, que Li codirige. El coprimer autor del estudio es Frank Y. Gao, becario postdoctoral en física en UT y profesor asistente entrante de química en la Universidad de Wisconsin-Madison, y Dong Seob Kim, ex estudiante de posgrado en física en UT que ahora es investigador postdoctoral en la Universidad de Columbia. Otros contribuyentes provinieron del Instituto de Tecnología de Massachusetts, la Academia Sínica y la Universidad de Utah.
