Transiciones de fase magnéticas y electrónicas en materiales 2D sondeados por resonadores nanomecánicos

Crédito: TU Delft

Las transiciones de fase juegan un papel importante en los materiales. Sin embargo, en materiales bidimensionales, el más famoso de los cuales es grafeno, las transiciones de fase pueden ser muy difíciles de estudiar. Investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft y la Universidad de Valencia han desarrollado un nuevo método que ayuda a resolver este problema. Suspendieron capas ultrafinas de materiales 2D sobre una cavidad y rastrearon la frecuencia de resonancia de las membranas resultantes utilizando láseres. Los resultados de su trabajo han sido publicados en Comunicaciones de la naturaleza.

Makars Siskins

Makars Siskins. Crédito: TU Delft

Desde el descubrimiento de las excepcionales propiedades eléctricas y mecánicas del grafeno, el primer material bidimensional (2D), capas con espesores de hasta una sola átomo están atrayendo interés científico. Surgen nuevas funcionalidades y fenómenos con los descubrimientos recientes de tipos únicos de fases magnéticas y electrónicas en estas capas, que incluyen superconductores, ondas de densidad de carga, fases antiferromagnéticas y ferromagnéticas 2D Ising. Las transiciones de fase juegan un papel importante en los materiales: por ejemplo, el agua es un líquido a temperatura ambiente y se congela por debajo de cero centígrados, formando un material con propiedades completamente diferentes.

Movimiento resonante

En muestras grandes, existen varias técnicas para medir esta transición de fase, por ejemplo midiendo el calor específico que puede mostrar cambios abruptos en la transición de fase. Sin embargo, solo unos pocos métodos están disponibles para estudiar estas transiciones en muestras atómicamente delgadas con una masa de menos de un picogramo. Esto es particularmente desafiante para los antiferromagnéticos aislantes ultrafinos que solo se acoplan débilmente a sondas magnéticas y electrónicas.

Los investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft ahora han demostrado que estas fases pueden estudiarse observando el movimiento resonante de las membranas hechas de estos materiales 2D. Estas membranas pueden formarse suspendiendo un cristal ultrafino sobre una cavidad en un sustrato, creando así un tambor a nanoescala. “Hacemos un seguimiento de la frecuencia de resonancia mecánica de estas membranas utilizando un láser rojo mientras las ponemos en movimiento a frecuencias de MHz mediante un láser azul con modulación de potencia”, explica el investigador Makars Šiškins

Expansión repentina

Cuando los investigadores enfriaron las membranas de FePS3NiPS3 y MnPS3, observaron un cambio repentino en su frecuencia de resonancia. Šiškins: “Curiosamente, este cambio coincide con la temperatura a la que estos materiales ordenan sus espines magnéticos antiferromagnéticamente”. La correlación entre el cambio en la frecuencia de resonancia y el orden magnético a la temperatura de transición de fase es una consecuencia de la expansión repentina que ocurre cuando aumenta el desorden magnético, similar a la transición de fase de líquido a gas. Esta expansión hace que disminuya el estrés mecánico en la membrana, lo que resulta en una reducción en la frecuencia de resonancia, como en una cuerda de guitarra.

El nuevo concepto de medición es aplicable a una amplia variedad de sistemas de membrana delgada con diferentes transiciones de fase, como lo demuestran los investigadores al observar el orden de las ondas de densidad de carga en TaS2. “Por esta razón, creemos que nuestro concepto tiene el potencial de aplicarse para estudiar una amplia gama de materiales: ferromagnetos 2D, láminas de óxido complejas 2D delgadas y antiferromagnéticos orgánicos”, dice Šiškins. “Esperamos que esto conduzca a una mejor comprensión de la termodinámica y los mecanismos de pedido en materiales bidimensionales”.

Referencia: “Transiciones de fase magnéticas y electrónicas sondeadas por resonadores nanomecánicos” por Makars Šiškins, Martin Lee, Samuel Mañas-Valero, Eugenio Coronado, Yaroslav M. Blanter, Herre SJ van der Zant y Peter G. Steeneken, 1 de junio de 2020, Comunicaciones de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41467-020-16430-2