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| Lebing Chen, estudiante de posgrado de la Universidad de Rice, utilizó un horno de alta temperatura para fabricar cristales de triyoduro de cromo que permitieron obtener los materiales 2D para los experimentos realizados en la Fuente de Neutrones por Espalación del Laboratorio Nacional de Oak Ridge. Crédito: Jeff Fitlow/Universidad de Rice |
Físicos de Rice han confirmado el origen topológico de los magnones, características magnéticas que descubrieron hace tres años en un material 2D que podría resultar útil para codificar información en los espines de los electrones.
El descubrimiento, descrito en un estudio publicado en línea esta semana en la revista American Physical Society journal Physical Review X, proporciona una nueva comprensión de las excitaciones de espín impulsadas por la topología en materiales conocidos como imanes de van der Waals en 2D. Estos materiales son cada vez más interesantes para la espintrónica, un movimiento en la comunidad de la electrónica de estado sólido hacia tecnologías que utilizan los espines de los electrones para codificar la información para la computación, el almacenamiento y las comunicaciones.
El espín es una característica intrínseca de los objetos cuánticos y los espines de los electrones desempeñan un papel clave en la aparición del magnetismo.
El físico de Rice Pengcheng Dai, coautor del estudio de Physical Review X, dijo que los experimentos de dispersión inelástica de neutrones en el material 2D triyodo de cromo confirmaron el origen de la naturaleza topológica de las excitaciones de espín, llamadas magnones, que su grupo y otros descubrieron en el material en 2018.
Los últimos experimentos del grupo en la Fuente de Neutrones por Espalación del Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) mostraron que "el acoplamiento de espín-órbita induce interacciones asimétricas entre los espines" de los electrones en el triyodo de cromo, dijo Dai. "Como resultado, los espines de los electrones sienten el campo magnético de los núcleos en movimiento de manera diferente, y esto afecta a sus excitaciones topológicas".
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| El estudiante de posgrado Lebing Chen muestra los cristales de triyoduro de cromo que ha fabricado en un laboratorio de la Universidad de Rice. Las capas apiladas de triyoduro de cromo 2D, atómicamente finas, tienen propiedades electrónicas y magnéticas inusuales que podrían resultar útiles para las tecnologías que codifican la información en los espines de los electrones. Crédito: Jeff Fitlow/Universidad de Rice |
En los materiales de van der Waals, las capas 2D atómicamente finas se apilan como las páginas de un libro. Los átomos dentro de las capas están fuertemente unidos, pero los enlaces entre las capas son débiles. Estos materiales son útiles para explorar comportamientos electrónicos y magnéticos inusuales. Por ejemplo, una sola hoja 2D de cromo triyodo tiene el mismo tipo de orden magnético que hace que las calcomanías magnéticas se peguen a un refrigerador de metal. Las pilas de tres o más capas 2D también tienen ese orden magnético, que la física llama ferromagnético. Pero dos láminas apiladas de triyodo de cromo tienen un orden opuesto llamado antiferromagnético.
Este extraño comportamiento llevó a Dai y sus colegas a estudiar el material. El estudiante graduado de Rice Lebing Chen, autor principal del estudio de Physical Review X de esta semana y del estudio de 2018 en la misma revista, desarrolló métodos para fabricar y alinear láminas de triyoduro de cromo para experimentos en el ORNL. Al bombardear estas muestras con neutrones y medir las excitaciones de espín resultantes con espectrometría de tiempo de vuelo de neutrones, Chen, Dai y sus colegas pueden discernir características y comportamientos desconocidos del material.
En su estudio anterior, los investigadores demostraron que el triyodo de cromo crea su propio campo magnético gracias a los magnones que se mueven tan rápido que parece que se mueven sin resistencia. Dai dijo que el último estudio explica por qué una pila de dos capas bidimensionales de triyoduro de cromo tiene un orden antiferromagnético.
"Encontramos pruebas de un orden magnético dependiente del apilamiento en el material", dijo Dai. Descubrir el origen y las características clave de este estado es importante porque podría existir en otros imanes de van der Waals en 2D".
Fuentes, créditos y referencias:
Lebing Chen et al, Magnetic Field Effect on Topological Spin Excitations in CrI3, Physical Review X (2021). DOI: 10.1103/PhysRevX.11.031047