Los físicos de Rice confirmaron los orígenes topológicos de los magnones, características magnéticas que descubrieron hace tres años en material 2D que podrían ser útiles para codificar información sobre espines de electrones.

El descubrimiento, descrito en un estudio publicado en línea esta semana en la revista American Physical Society Revisión física X, proporciona una nueva comprensión de las excitaciones de rotación impulsadas por topología en materiales conocidos como imanes 2D de van der Waals. Los materiales son de creciente interés para la espintrónica, un movimiento en la comunidad de la electrónica de estado sólido hacia tecnologías que usan espines de electrones para codificar información para computación, almacenamiento y comunicaciones.

El espín es una característica intrínseca de los objetos cuánticos y los espines de los electrones juegan un papel clave en la generación de magnetismo.

El físico de Rice Pengcheng Dai, coautor correspondiente de Revisión física X El estudio dijo que los experimentos de dispersión de neutrones inelásticos en el material 2D triodo 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 de espalación del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) han demostrado que «el acoplamiento espín-órbita induce interacciones asimétricas entre espines» de electrones en triyodo de cromo, dijo Dai. «Como resultado, los espines de los electrones sienten la campo magnético mover los núcleos de manera diferente, y esto afecta sus excitaciones topológicas. «

En los materiales de van der Waals, las capas 2D atómicamente delgadas se apilan como las páginas de un libro. Los átomos dentro de las capas están estrechamente unidos, pero los enlaces entre las capas son débiles. Los materiales son útiles para explorar comportamientos electrónicos y magnéticos inusuales. Por ejemplo, una sola hoja 2D de triyodo de cromo tiene el mismo tipo de orden magnético que hace que las calcomanías magnéticas se adhieran a un enfriador de metal. Las pilas de tres o más capas 2D también tienen este orden magnético, que la física llama ferromagnético. Pero dos hojas apiladas de triyodo de cromo tienen un orden opuesto llamado antiferromagnético.

Este extraño comportamiento llevó a Dai y sus colegas a estudiar el material. Lebing Chen, estudiante de posgrado en arroz, autor principal del artículo de esta semana Revisión física X estudio y el estudio de 2018 en la misma revista, desarrollaron métodos para hacer y alinear láminas de triyoduro de cromo para experimentos en 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 triodo de cromo crea su propio campo magnético gracias a magnones que se mueven tan rápido que parecen moverse sin resistencia. Dai dijo que el último estudio explica por qué una pila de dos capas de triyoduro de cromo bidimensional tiene un orden antiferromagnético.

«Encontramos evidencia de un orden magnético dependiente de la pila en el material», dijo Dai. Descubrir los orígenes y las características clave del estado es importante porque podría existir en otros imanes 2D de van der Waals.

Otros coautores incluyen a Bin Gao de Rice, Jae-Ho Chung de la Universidad de Corea, Matthew Stone, Alexander Kolesnikov, Barry Winn, Ovidiu Garlea y Douglas Abernathy de ORNL y Mathias Augustin y Elton Santos de la Universidad de Edimburgo.