En el caso de materiales bidimensionales que se mueven rápidamente, incluso un ligero cambio de rotación entre capas puede cambiar drásticamente el comportamiento de un material. Los científicos descubrieron previamente que cuando se apilan cristales atómicamente delgados con un pequeño desajuste angular, sus propiedades electrónicas pueden transformarse. Este método, conocido como ingeniería Moire, se ha convertido en una técnica clave para diseñar nuevas formas de materiales cuánticos.
Ahora los investigadores informan Nanotecnología de la naturaleza Que el magnetismo puede comportarse de maneras sorprendentes en estas condiciones. En las capas antiferromagnéticas retorcidas, los patrones de espín magnético no se limitan a pequeñas celdas unitarias de muaré que se repiten. En cambio, pueden extenderse en estructuras topológicas mucho más grandes que abarcan cientos de nanómetros.
Textura magnética masiva más allá del patrón muaré
En la mayoría de los sistemas muaré, el tamaño del efecto físico está directamente determinado por el patrón de interferencia creado cuando dos redes cristalinas se superponen. Se esperaba que el orden magnético de los imanes de Van der Waals apilados siguiera en términos generales esta misma escala de longitud. Nuevos hallazgos desafían esa suposición.
El equipo desarrolló triyoduro de cromo bicapa doble trenzado (CrI3) utilizando magnetometría de barrido con vacío de nitrógeno, una técnica que genera imágenes de campos magnéticos con precisión a nanoescala. Observaron texturas magnéticas que alcanzaban distancias de hasta ~300 nm, que es mucho mayor que el tamaño de una sola célula de muaré y aproximadamente diez veces mayor que la longitud de onda intrínseca.
Un efecto de ángulo de giro contradictorio
Los resultados revelaron un patrón inesperado. A medida que el ángulo de torsión se hace más pequeño, la longitud de onda muaré aumenta. Sin embargo, las texturas magnéticas no crecen con ello. En cambio, su tamaño varía inversamente, alcanzando un máximo alrededor de 1,1° y desapareciendo por encima de ~2°.
Esta inversión muestra que el magnetismo no se limita a copiar la plantilla de muaré. Más bien, surge de un equilibrio entre varias fuerzas en competencia, incluidas las interacciones de intercambio, la anisotropía magnética y las interacciones Dzaloshinski-Moria. Todos estos se ajustan con precisión según la forma en que se rotan las capas entre sí. Las simulaciones de dinámica de espín a gran escala respaldan esta interpretación, demostrando la formación de skyrmions antiferromagnéticos extendidos de tipo azul que abarcan múltiples células de muaré.
Skyrmions y espintrónica de baja energía
Estos resultados son importantes más allá de la física fundamental. Los Skyrmions son prometedores para el futuro de la tecnología de la información porque son pequeños, estables y seguros por su topología. Se pueden mover con muy poca energía. Simplemente ajustando el ángulo de giro sin litografía, metales pesados o fuertes corrientes eléctricas, proporcionan un camino limpio y guiado por la geometría hacia dispositivos espintrónicos de baja potencia.
Los investigadores describen este fenómeno como ordenamiento de espín súper muaré, destacando que la ingeniería de torsión funciona en múltiples escalas. Los cambios en la alineación atómica pueden crear estructuras topológicas a distancias de mesoescala muy grandes. Esto desafía la noción arraigada de que la física muaré es solo un efecto local y posiciona el ángulo de torsión como un poderoso parámetro de control termodinámico capaz de asegurar el intercambio, la anisotropía y las interacciones quirales para estabilizar las fases topológicas.
Desde un punto de vista práctico, estas grandes y potentes texturas skyrmionic de tipo azul son adecuadas para integrarse en dispositivos. Su mayor tamaño los hace más fáciles de detectar y manipular. Al mismo tiempo, su protección topológica y el material aislante del alojamiento sugieren pérdidas de energía extremadamente bajas durante el funcionamiento. A medida que los científicos continúan explorando cómo la geometría da forma al comportamiento cuántico, estos estados magnéticos emergentes podrían desempeñar un papel importante en el desarrollo de tecnologías informáticas post-CMOS energéticamente eficientes.
El Dr. Elton Santos, profesor de Física Teórica/Computacional de la Materia Condensada de la Universidad de Edimburgo, cuyo equipo dirigió el aspecto de modelado del proyecto, dijo: “Este descubrimiento muestra que la flexión no es sólo un nudo electrónico, sino magnético. Vemos que el orden de espín colectivo se autoorganiza a una escala mayor que abrir una puerta. El diseño de estados magnéticos topológicos sólo controla el ángulo, lo que tiene profundas consecuencias prácticas. Un manejo notablemente fácil”.
