Gli effetti quantistici rilasciano nuove proprietà magnetiche

Il materiale semiconduttore bidimensionale solfuro di molibdeno è pieno di elettroni (sfere rosse). L'interazione elettrone-elettrone fa sì che gli spin di tutti gli elettroni (frecce rosse) si allineino nella stessa direzione. L'energia di scambio necessaria per capovolgere uno spin di elettrone singolo nello stato ferromagnetico può essere determinata dalla separazione tra due linee spettrali specifiche. Crediti: N. Leisgang, Università di Harvard, in precedenza Dipartimento di Fisica, Università di Basilea/Scixel

Uno studio ha ampliato il campo dei materiali ferromagnetici includendo il solfuro di molibdeno, dimostrando che può mostrare proprietà simili al ferro in certe condizioni. Ciò include la misurazione dell'energia necessaria per modificare gli spin degli elettroni, evidenziando la sua potenziale stabilità e utilità.

Il ferromagnetismo è un importante fenomeno fisico che gioca un ruolo chiave in molte tecnologie. È ben noto che metalli come ferro, cobalto e nichel sono magnetici a temperatura ambiente perché gli spin degli elettroni sono allineati in parallelo, ed è solo a temperature molto alte che questi materiali perdono le loro proprietà magnetiche.

Ricercatori guidati dal Professor Richard Warburton del Dipartimento di Fisica e dall'Istituto Svizzero di Nanoscienze dell'Università di Basilea hanno dimostrato che il solfuro di molibdeno mostra anche proprietà ferromagnetiche in certe condizioni. Quando sottoposto a basse temperature e a un campo magnetico esterno, gli spin degli elettroni in questo materiale puntano tutti nella stessa direzione.

Nel loro ultimo studio, pubblicato sulla rivista Physical Review Letters, i ricercatori hanno determinato quanta energia serve per capovolgere uno spin di elettrone individuale all'interno di questo stato ferromagnetico. Questa "energia di scambio" è significativa perché descrive la stabilità del ferromagnetismo.

"Abbiamo eccitato il solfuro di molibdeno usando un laser ed analizzato le linee spettrali che emetteva", spiega la dott.ssa Nadine Leisgang, principale autrice dello studio. Dato che ogni linea spettrale corrisponde a una lunghezza d'onda ed energia specifica, i ricercatori sono stati in grado di determinare l'energia di scambio misurando la separazione tra linee spettrali specifiche. Hanno scoperto che nel solfuro di molibdeno, questa energia è solo circa 10 volte più piccola rispetto al ferro, indicando che il ferromagnetismo del materiale è molto stabile.

"Anche se la soluzione sembra semplice, è stato necessario un considerevole lavoro investigativo per allocare correttamente le linee spettrali", afferma Warburton.

I materiali bidimensionali giocano un ruolo chiave nella ricerca sui materiali grazie alle loro particolari proprietà fisiche, che sono il risultato di effetti meccanici quantistici. Possono anche essere impilati per formare "eterostrutture di van der Waals."

Nell'esempio visto in questo studio, lo strato di solfuro di molibdeno è circondato da nitruro di boro esagonale e grafene. Questi strati sono tenuti insieme da deboli legami di van der Waals e sono di interesse nei campi dell'elettronica e dell'optoelettronica grazie alle loro proprietà uniche. Comprendere le loro proprietà elettriche e ottiche è fondamentale per poterle applicare alle tecnologie future.