PARK Je-Geun, Director Asociado en el Centro de Sistemas Electrónicos Correlados, dentro del Instituto de Ciencias Básicas IBS, trabajando en colaboración con CHEONG Hyeonsik en la Universidad Sogang y PARK Cheol-Hwan en la Universidad Nacional de Seúl demostró el comportamiento magnético deuna clase especial de materiales en 2D. Esta es la primera prueba experimental de una teoría propuesta hace más de 70 años. El artículo, que describe el experimento, se publica en la revista Nano Letters.
Recientemente, los científicos de todo el mundo están investigando las propiedades y aplicaciones de materiales 2D extremadamente delgados, de un solo átomo de espesor, como el grafeno. Estudiar las propiedades de los materiales 2D en comparación con sus homólogos 3D plantea muchas preguntas que invitan a la reflexión;uno de ellos se refiere a las transiciones de fase magnética.
Algunos materiales son magnéticos debido al comportamiento de los espines de sus electrones. En términos simples, los espines números cuánticos de espín, o más precisamente sus momentos magnéticos asociados, son como pequeños imanes, mostrados convencionalmente como flechas.temperaturas, estos giros tienden a alinearse, bajando la energía total de los electrones. Sin embargo, por encima de una temperatura específica que varía de un material a otro, los giros pierden su alineación y se orientan al azar. Similar a cómo el hielo pierde su orden interno y se vuelve líquido por encima decierta temperatura; los imanes 3D también pierden su magnetización por encima de una temperatura crítica. Esto se llama transición de fase y es un proceso siempre presente en los objetos 3D.
Sin embargo, ¿qué sucede con los sistemas 1D y 2D a bajas temperaturas? ¿Experimentan una transición de fase? En otras palabras, ¿vamos a ver una transición de sólido a líquido en una cadena de moléculas de agua 1D o en una sola?-atom espesa lámina de agua 2D?
Hace aproximadamente un siglo, el físico Wilhelm Lenz le pidió a su estudiante Ernst Ising que resolviera este problema para los sistemas 1D. Ising lo explicó en 1925 y concluyó que los materiales 1D no tienen transiciones de fase. Luego, Ising intentó lidiar con la misma preguntapara un tipo particular de materiales 2D. El problema resultó ser mucho más difícil. La solución llegó en 1943 por cortesía de Lars Onsager, quien recibió el Premio Nobel de Química en 1968. De hecho, Onsager descubrió que los materiales, que siguen el giro de Isingmodelo, tenga una transición de fase. Sin embargo, a pesar de la gran importancia que tiene esta teoría en el siguiente desarrollo de toda la física de las transiciones de fase, nunca se ha probado experimentalmente con un material magnético real ". La física de los sistemas 2D es única y emocionanteLa solución Onsager se enseña en todos los cursos avanzados de mecánica estadística. Ahí es donde aprendí este problema. Sin embargo, cuando descubrí mucho más tarde que no se había probado experimentalmente con unmaterial magnético, pensé que era una lástima para los experimentadores como yo, por lo que era natural para mí buscar un material real para probarlo ", explica PARK Je-Geun.
Para probar el modelo Onsager, el equipo de investigación produjo cristales de tritiohipofosfato de hierro FePS3 con una técnica llamada transporte de vapor químico. Los cristales están formados por capas unidas por interacciones débiles, conocidas como interacciones de Van der Waals. Las capas pueden serse despegó del cristal usando cinta adhesiva, de la misma manera que la cinta puede quitar la pintura de una pared. Los científicos pelaron las capas hasta que quedaron con solo una capa de FePS3 2D ". Podemos llamar a estos materiales magnéticos Van derMateriales de Waals o grafeno magnético: son magnéticos y tienen enlaces de Van der Waals fáciles de cortar entre capas. Son muy raros y su física aún no ha sido explorada ", dice el profesor.
Si bien existen varios métodos para medir las propiedades magnéticas de los materiales 3D a granel, estas técnicas no tienen un uso práctico para medir señales magnéticas provenientes de materiales monocapa. Por lo tanto, el equipo usó la espectroscopía Raman, una técnica que normalmente se usa para medir las vibraciones dentro del materialUtilizaron las vibraciones como una medida indirecta del magnetismo, cuantas más vibraciones, menos magnetización.
El equipo de Park y sus colegas usaron primero la espectroscopía Raman en material 3D FePS3 a granel a diferentes temperaturas y luego probaron la monocapa 2D FePS3 ". La prueba con la muestra a granel nos mostró que las señales Raman pueden usarse como una especie de huella digital de transición de fasea temperaturas alrededor de 118 Kelvin, o menos 155 grados Celsius. Con esta confirmación, medimos la muestra de monocapa y encontramos los mismos patrones ", señala Park". Concluimos que FePS3 3D y 2D tienen la misma firma de la transición de fase visible enel espectro Raman ". Tanto en la muestra a granel como en la monocapa, los giros de FePS3 se ordenan antiferromagnéticos a temperaturas muy bajas y se desordenan paramagnéticos por encima de los 118 grados Kelvin". Muestra una transición de fase magnética con este tour-de-forceel experimento es una hermosa prueba para la solución Onsager ", concluye el físico.
En el futuro, al equipo le gustaría estudiar otros materiales de metal de transición 2D, yendo más allá del modelo de giro 2D Ising.
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Materiales proporcionado por Instituto de Ciencias Básicas . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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