Artículo destacado Oct 2016-Sept 2017: El ferromagnetismo irrumpe en el mundo de los materiales 2D

Artículo seleccionado como artículo destacado del GEFES en la convocatoria  correspondiente a artículos publicados entre Octubre de 2016 y Septiembre de 2017.

Efrén Navarro-Moratalla dará una charla invitada sobre este trabajo en el GEFES 2018.

El ferromagnetismo ha sido objeto de estudio durante varios milenios y, probablemente, el fenómeno de naturaleza cuántica más viejo que se conoce. De hecho, algunas de las cuestiones más fundamentales en magnetismo son también de las más longevas en física. Por ejemplo, la naturaleza magnética de una distribución de espines en redes unidimensionales (1D) y bidimensionales (2D) es un problema que lleva ocupando a muchos físicos de la materia condensada desde los años 20. En teoría, el ordenamiento magnético de un conjunto de espines distribuidos en una red de menos de tres dimensiones y sin orientación preferencial es un fenómeno prohibido a temperaturas finitas (N. D. Mermin & H. Wagner 1966). Sin embargo, la anisotropía magnética –que confiere una orientación preferencial a los espines de la red- elimina esta restricción y permite la aparición del orden magnético en dos dimensiones. La influencia del número de dimensiones espaciales en la transición de fase magnética para sistemas con simetrías discretas quedó postulada desde un punto de vista teórico y con exactitud analítica tanto en el caso 1D (E. Ising 1925) como también en determinadas redes 2D (L. Onsager 1944). Desafortunadamente, la ausencia de sistemas magnéticos 2D estrictos ha evitado que el tratamiento teórico sobre el papel se traslade al experimento. Muchos han sido los experimentos en los que se emplean sólidos laminares -donde imperan las interacciones magnéticas en el plano- como acercamiento tridimensional al magnetismo en 2D. No obstante, y a pesar de que estos materiales cuasi-bidimensionales obedecen en buena medida a los modelos, la influencia de las interacciones interlaminares no es para nada despreciable. Una segunda aproximación es la evaporación de capas ultrafinas metálicas que, no obstante, adolecen de un gran número de defectos. Así, el tipo de materiales disponibles y la carencia de técnicas de manipulación y caracterización apropiadas han impedido el estudio del ferromagnetismo en el límite 2D estricto durante más de medio siglo. Todo ha cambiado con el surgimiento de los denominados materiales 2D.

Ya habiendo transcurrido más de diez años del célebre descubrimiento del grafeno, la familia de materiales 2D ha crecido de manera exponencial, abarcando hoy en día una serie de materiales que han hecho posible el estudio de multitud de efectos derivados del comportamiento cuántico de los electrones, como ahora son el acoplamiento de espín-valle (spin-valley en inglés), la superconductividad tipo Ising o el transporte electrónico topológico. Sin embargo, los materiales 2D con magnetismo intrínseco han permanecido prácticamente obviados durante más de una década de apogeo de los materiales 2D. Ello se debe en buena medida a la extrema inestabilidad de los materiales 2D magnéticos al oxígeno y a la humedad del aire. Utilizando técnicas de manipulación avanzadas y de microscopía de alta resolución, un equipo de investigadores del Massachusetts Institute of Technology en colaboración con la Universidad de Washington ha logrado abordar esta insigne ausencia en los materiales 2D. Empleando la microscopía de efecto Kerr sobre cristales de espesor atómico de triyoduro de cromo el estudio proclama el descubrimiento del ferromagnetismo intrínseco en el límite 2D verdadero de una monocapa. Asimismo, se observa una fuerte dependencia del estado magnético fundamental con el número de capas dejando patente la gran importancia de las interacciones interlaminares en los sistemas laminares. Mientras los cristales de una sola capa exhiben una clara histéresis ferromagnética, esta se pierde en las bicapas y se vuelve a recuperar en los cristales de tres capas. El origen del estado metamagnético observado en los cristales de bicapa es a día de hoy todavía un enigma.

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Ciclo de histéresis magnética medido en una monocapa de triyoduro de cromo sobre un sustrato de Si/SiO2 a 2K por microscopía de efecto Kerr. Los paneles superiores muestran el mapa resuelto en espacio de señal Kerr proveniente de la misma monocapa en distintos puntos del ciclo de histéresis, ilustrando la inversión de la imanación en el límite 2D. La barra de escala mide 2 um. El esquema respresentado en la derecha muestra la estructura cristalina de una monocapa de triyoduro de cromo vista desde el lateral haciendo hincapié en la anisotropía Ising de espín tal y como ilustran las flechas.

El estudio de los materiales 2D magnéticos proporcionan la evidencia experimental final de una teoría de más de medio siglo de antigüedad pero, sobre todo, deja abierto un nuevo campo en el que la ingeniería de interfaces permite controlar el espesor de imanes cristalinos con precisión atómica y su incorporación en heteroestructuras para nuevas aplicaciones en la topología de la materia condensada o en espintrónica. A pesar de su edad, el magnetismo es hoy día un are de investigación activa que sigue impulsando nuevos descubrimientos insospechados.

Referencias:

  1. D. Mermin & H. Wagner, Phys. Rev. Lett.17, 1133–1136 (1966)
  2. Ising, PhD thesis(1925)
  3. Onsager, Phys. Rev.65, 117–149 (1944)

Artículo: “Layer-dependent Ferromagnetism in a van der Waals Crystal down to the Monolayer Limit” B. Huang, G. Clark, E. Navarro-Moratalla, D. R. Klein, R. Cheng, K. L. Seyler, D. Zhong, E. Schmidgall, M. A. McGuire, D. H. Cobden, W. Yao, D. Xiao, P. Jarillo-Herrero & X. Xu, Nature 546, 270–273 (2017).