Efectos cuánticos desatan nuevas propiedades magnéticas
El material semiconductor bidimensional disulfuro de molibdeno está lleno de electrones (esferas rojas). La interacción electrón-electrón hace que los espines de todos los electrones (flechas rojas) se alineen en la misma dirección. La energía de intercambio requerida para cambiar la dirección de un espín de electrón individual en el estado ferromagnético se puede determinar por la separación entre dos líneas espectrales específicas. Crédito: N. Leisgang, Universidad de Harvard, anteriormente Departamento de Física, Universidad de Basilea/Scixel
Un estudio ha ampliado el alcance de los materiales ferromagnéticos para incluir el disulfuro de molibdeno, mostrando que puede exhibir propiedades similares al hierro bajo ciertas condiciones. Esto incluye medir la energía necesaria para modificar los espines de sus electrones, resaltando su potencial estabilidad y utilidad.
El ferromagnetismo es un importante fenómeno físico que desempeña un papel clave en muchas tecnologías. Es bien sabido que metales como el hierro, el cobalto y el níquel son magnéticos a temperatura ambiente porque sus espines de electrones están alineados en paralelo, y solo a temperaturas muy altas estos materiales pierden sus propiedades magnéticas.
Investigadores liderados por el profesor Richard Warburton del Departamento de Física y el Instituto de Nanociencia Suizo de la Universidad de Basilea han demostrado que el disulfuro de molibdeno también exhibe propiedades ferromagnéticas bajo ciertas condiciones. Cuando se somete a bajas temperaturas y un campo magnético externo, los espines de electrones en este material apuntan todos en la misma dirección.
En su último estudio, publicado en la revista Physical Review Letters, los investigadores determinaron cuánta energía se necesita para cambiar la dirección de un espín de electrón individual dentro de este estado ferromagnético. Esta "energía de intercambio" es significativa porque describe la estabilidad del ferromagnetismo.
“Excitamos el disulfuro de molibdeno con un láser y analizamos las líneas espectrales que emitía,” explica la Dra. Nadine Leisgang, autora principal del estudio. Dado que cada línea espectral corresponde a una longitud de onda y energía específicas, los investigadores pudieron determinar la energía de intercambio midiendo la separación entre líneas espectrales específicas. Encontraron que en el disulfuro de molibdeno, esta energía es solo aproximadamente 10 veces menor que en el hierro, lo que indica que el ferromagnetismo del material es altamente estable.
“Aunque la solución parece simple, se necesitó un considerable trabajo de detective para asignar correctamente las líneas espectrales,” comenta Warburton.
Los materiales bidimensionales juegan un papel clave en la investigación de materiales gracias a sus propiedades físicas especiales, que son resultado de efectos cuánticos. También pueden apilarse para formar "heteroestructuras de van der Waals.”
En el ejemplo visto en este estudio, la capa de disulfuro de molibdeno está rodeada por nitruro de boro hexagonal y grafeno. Estas capas están unidas por débiles enlaces de van der Waals y son de interés en los campos de la electrónica y la optoelectrónica gracias a sus propiedades únicas. Comprender sus propiedades eléctricas y ópticas es vital para poder aplicarlas en tecnologías futuras.
