Imanes con torsión: investigadores de la UM transforman la complejidad magnética en imanes atómicamente delgados
La superposición de dos escamas de triyoduro de cromo bicapa y torcerlas en una pequeña cantidad compensa los átomos de cromo en el material y crea un momento magnético más complejo. Crédito de la imagen: Zhao Lab, Universidad de Michigan
Los imanes se utilizan en muchos objetos cotidianos, incluidos los teléfonos móviles y en la tira de una tarjeta de crédito o la llave del hotel. Incluso alimentan el motor de su aspiradora.
Y dado que la mayoría de las computadoras usan imanes para almacenar información, encontrar imanes cada vez más delgados es esencial para una electrónica más rápida y liviana. El grafeno, un material de un átomo de espesor, fue descubierto en 2004 y ganó el Premio Nobel de Física en 2010. Aunque el grafeno no es magnético en sí mismo, ha despertado interés en la investigación de imanes delgados atómicamente.
En 2017, los científicos descubrieron un material magnético ultrafino que tenía solo tres átomos, o una unidad atómica, de espesor. Pero este material, llamado triyoduro de cromo, tenía una disposición de momento magnético simple, el giro de los electrones en el material, todos alineados en la misma dirección, hacia arriba o hacia abajo, lo que significa que no es capaz de almacenar grandes cantidades de información.
Ahora físico de la Universidad de Michigan Liuyan Zhao y su equipo desarrollaron una forma de crear una disposición de momento magnético más compleja en el triyoduro de cromo, lo que permite que este material atómicamente delgado almacene más información y posiblemente la procese más rápido. Sus resultados se publican en Nature Physics.
“Con el tiempo, la gente empezó a buscar imanes más pequeños y formas más complejas para hacer nuestras computadoras y dispositivos electrónicos más pequeños, más delgados y más rápidos. Para hacer esto, el hardware que almacena datos o procesa información también debe volverse cada vez más pequeño, mientras que sus formas magnéticas deben ser cada vez más exóticas ”, dijo Zhao. “En materiales realmente grandes y voluminosos, la gente encuentra todo tipo de formas magnéticas llamadas texturas de espín. Entonces, en este material súper delgado, preguntamos: ¿podemos también crear este tipo de texturas de espín complejas para que podamos almacenar más información? «
Para hacer esto, Zhao y su equipo crearon una muestra artificial rompiendo la mitad de una hojuela de triyoduro de cromo del tamaño de una micra (una millonésima parte de un metro). Las escamas de triyoduro de cromo son bicapas, lo que significa que el material tiene dos unidades atómicas, o seis átomos, de espesor. Luego colocaron una pieza encima de la otra y la giraron un poco. Cada escama está compuesta por una estructura de celosía cristalina, y cuando una estructura se coloca encima de otra y se gira ligeramente, las estructuras cristalinas interfieren entre sí y forman una estructura periódica con una longitud de onda más larga. También crea un desplazamiento angular entre las dos escamas y da como resultado una superrejilla con un período más largo llamado superrejilla muaré.
Piense en una ola de agua. La ondulación de una ola equivale a un período. Pero dentro de esta ola, el agua no avanza realmente. En cambio, las moléculas de agua se mueven hacia arriba y hacia abajo en un solo lugar. Cuando se agrega más energía a la ola, la ola sube más alto.
Asimismo, cuando se superponen estructuras cristalinas, su período de onda se duplica. Luego, debido a la baja rotación entre las dos capas, los átomos de la capa superior de material están ligeramente desplazados de los átomos de la capa inferior de material cerca del centro de rotación. Esto provoca además un efecto de cascada de átomos desplazados a lo largo de la capa de material revestido, que se repite en toda la pieza de capas apiladas en la longitud de onda muaré.
Esto da como resultado dos extremos de retrasos dentro de la estructura, dice Zhao. Cuando los átomos de cromo en una capa están dispuestos justo en el centro de los átomos de cromo en la otra, sus giros parecen estar en la misma dirección. Cuando están separados por un tercio de la distancia entre los átomos de cromo vecinos más cercanos, sus espines favorecen la dirección opuesta. Luego, entre estas dos áreas, sus zarcillos se frustran, sin saber cuál de los dos caminos seguir, y pueden desarrollar nuevos arreglos. Entonces, por ejemplo, pueden convertirse en espirales. Los diferentes tipos de orientaciones rotacionales dentro del mismo material crean más oportunidades para almacenar información.
Para trabajar con materiales increíblemente delgados y delicados, el grupo utiliza un conjunto de micromanipuladores automatizados bajo un microscopio óptico que se aloja en una caja llena de nitrógeno ultra puro, que es inerte y no interactúa con el material estudiado por los investigadores. Los investigadores utilizan una grapa doméstica común para pelar una capa de material 2D y estamparla en un sustrato de dióxido de silicio, una técnica desarrollada por los ganadores del Premio Nobel de Física de 2010. Con el microscopio óptico para observar el procedimiento, los investigadores controlan un conjunto de brazos mecánicos para levantar una capa de material, gírela ligeramente y colóquela encima de la otra capa de material.
“La importancia de nuestro trabajo es demostrar en estos imanes muy delgados que podemos diseñar la textura de giro realizando este tipo de torsión para introducir superredes muaré. Diferentes arreglos de espín pueden dar propiedades físicas bastante diferentes a los materiales magnéticos que estamos estudiando ”, dijo Zhao. “En comparación con muchos materiales 3D de gran tamaño, los arreglos atómicos están determinados por la química durante el crecimiento; no se puede cambiar ni manipular tanto. Pero aquí, al cambiar este ángulo de torsión entre dos capas para cambiar la distancia relativa entre átomos, tenemos la libertad de diseñar y controlar las propiedades magnéticas en superredes de muaré 2D.
El trabajo colaborativo involucra a científicos de varias instituciones de investigación. Los coautores incluyen a Hongchao Xie, Xiangpeng Luo y Kai Sun del Departamento de Física de la UM; Gaihua Ye, Zhipeng Ye, Rui He y Haiwen Ge en la Universidad Tecnológica de Texas; Suk Hyun Sung y Robert Hovden del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la UM; Emily Rennich del Departamento de Ingeniería Mecánica de la UM; y Shaohua Yan, Yang Fu, Shangjie Tian y Hechang Lei en la Universidad Renmin de China.
