Um pequeno giro gera enormes skyrmions magnéticos em cristais bidimensionais.
No campo dinâmico dos materiais bidimensionais, até mesmo um leve deslocamento rotacional entre camadas pode alterar drasticamente o comportamento de um material. Cientistas descobriram previamente que, quando cristais com a espessura de um átomo são empilhados com um pequeno desvio angular, suas propriedades eletrônicas podem se transformar. Essa abordagem, conhecida como engenharia moiré, tornou-se uma…
No campo dinâmico dos materiais bidimensionais, até mesmo um leve deslocamento rotacional entre camadas pode alterar drasticamente o comportamento de um material. Cientistas descobriram previamente que, quando cristais com a espessura de um átomo são empilhados com um pequeno desvio angular, suas propriedades eletrônicas podem se transformar. Essa abordagem, conhecida como engenharia moiré, tornou-se uma estratégia essencial para o design de novas formas de matéria quântica.
Agora pesquisadores relatam na Nature Nanotechnology que a magnetismo também pode se comportar de maneiras surpreendentes nessas condições.
Em camadas antiferromagnéticas torcidas, os padrões de spin magnético não estão limitados à pequena célula de unidade moiré. Em vez disso, eles podem se espalhar em estruturas topológicas muito maiores que se estendem por centenas de nanômetros.
Texturas Magnéticas Gigantes Além do Padrão Moiré
Na maioria dos sistemas moiré, o tamanho dos efeitos físicos é determinado diretamente pelo padrão de interferência criado quando duas redes cristalinas se sobrepõem. A ordem magnética em ímãs de van der Waals empilhados era amplamente esperada para seguir essa mesma escala de comprimento. As novas descobertas desafiam essa suposição.
A equipe examinou o triiodeto de cromo (CrI3) de dupla camada torcida usando magnetometria de nitrogênio-vácuo, uma técnica que imagem campos magnéticos com precisão em escala nanométrica. Eles observaram texturas magnéticas alcançando distâncias de até ~300 nm, muito além do tamanho de uma única célula moiré e aproximadamente dez vezes maior do que a comprimento de onda subjacente.
Efeito Contraproducente do Ângulo de Torção
Os resultados revelam um padrão inesperado. Quando o ângulo de torção se torna menor, o comprimento de onda moiré aumenta. No entanto, as texturas magnéticas não simplesmente crescem junto com ele. Em vez disso, seu tamanho muda de forma oposta, alcançando um máximo próximo a 1,1° e desaparecendo acima de ~2°.
Essa reversão mostra que o magnetismo não está apenas copiando o template moiré. Em vez disso, ele surge de um equilíbrio entre várias forças concorrentes, incluindo interações de troca, anisotropia magnética e interações de Dzyaloshinskii-Moriya. Todas essas forças são sutilmente ajustadas pela maneira como as camadas são rotacionadas em relação uma à outra. Simulações de dinâmicas de spin em larga escala apoiam essa interpretação, demonstrando a formação de skyrmions antiferromagnéticos tipo Nél, que se estendem por várias células moiré.
Skyrmions e Spintrônica de Baixa Potência
Essas descobertas são relevantes além da física básica. Os skyrmions são promissores para tecnologias de informação futuras porque são pequenos, estáveis e protegidos por sua topologia. Eles também podem ser movidos usando muito pouca energia. Criá-los simplesmente ajustando o ângulo de torção, sem litografia, metais pesados ou correntes elétricas fortes, fornece um caminho limpo e dirigido pela geometria para dispositivos spintrônicos de baixa potência.
Os pesquisadores descrevem esse fenômeno como ordem de spin super-moiré, destacando que a engenharia de torção opera em múltiplas escalas. Uma mudança no alinhamento atômico pode gerar estruturas topológicas em distâncias muito maiores, na escala mesoscópica. Isso desafia a ideia há muito sustentada de que a física moiré é apenas um efeito local e posiciona o ângulo de torção como um poderoso parâmetro de controle termodinâmico capaz de sintonizar interações de troca, anisotropia e interações quirais para estabilizar fases topológicas.
Do ponto de vista prático, essas texturas skyrmônicas tipo Nél, grandes e robustas, são bem adequadas para integração em dispositivos. Seu tamanho maior as torna mais fáceis de detectar e manipular. Ao mesmo tempo, sua proteção topológica e o material host isolante sugerem uma perda de energia extremamente baixa durante a operação. À medida que os cientistas continuam a explorar como a geometria molda o comportamento quântico, tais estados magnéticos emergentes podem desempenhar um papel importante no desenvolvimento de tecnologias de computação eficientes em energia e pós-CMOS.
Dr. Elton Santos, leitor em Física Condensada Teórica/Computacional, Universidade de Edimburgo, cuja equipe liderou o aspecto de modelagem do projeto, disse: “Esta descoberta mostra que a torção não é apenas um botão eletrônico, mas também magnético. Estamos vendo uma ordem de spin coletiva se auto-organizar em escalas muito maiores do que a rede moiré. Isso abre a porta para projetar estados magnéticos topológicos simplesmente controlando o ângulo, que é uma alça notavelmente simples com consequências práticas profundas.”
