Uma pequena torção cria skyrmions magnéticos gigantes em cristais 2D
No campo de movimento rápido dos materiais bidimensionais, mesmo uma ligeira mudança rotacional entre as camadas pode mudar drasticamente o comportamento de um material. Os cientistas descobriram anteriormente que quando cristais finos como átomos são empilhados com uma pequena incompatibilidade angular, suas propriedades eletrônicas podem se transformar. Esta abordagem, conhecida como engenharia moiré, tornou-se uma estratégia chave para projetar novas formas de matéria quântica.
Agora os pesquisadores relatam em Nanotecnologia da Natureza que o magnetismo também pode se comportar de maneira surpreendente nessas condições. Em camadas antiferromagnéticas torcidas, os padrões de spin magnético não estão limitados à pequena célula unitária moiré repetitiva. 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. Esperava-se que a ordem magnética em ímãs de van der Waals empilhados seguisse essa mesma escala de comprimento. As novas descobertas desafiam essa suposição.
A equipe examinou triiodeto de cromo de dupla camada torcida (CrI3) usando magnetometria de varredura por vacância de nitrogênio, uma técnica que gera imagens de campos magnéticos com precisão em nanoescala. Eles observaram texturas magnéticas atingindo distâncias de até ~300 nm, excedendo em muito o tamanho de uma única célula moiré e cerca de dez vezes maior que o comprimento de onda subjacente.
Um efeito de ângulo de torção contra-intuitivo
Os resultados revelam um padrão inesperado. Quando o ângulo de torção diminui, o comprimento de onda moiré aumenta. No entanto, as texturas magnéticas não crescem simplesmente junto com ele. Em vez disso, seu tamanho muda na direção oposta, atingindo um máximo próximo a 1,1° e desaparecendo acima de ~2°.
Esta inversão mostra que o magnetismo não está apenas copiando o modelo moiré. Em vez disso, surge de um equilíbrio entre várias forças concorrentes, incluindo interações de troca, anisotropia magnética e interações Dzyaloshinskii-Moriya. Tudo isso é sutilmente ajustado pela forma como as camadas são giradas umas em relação às outras. Simulações de dinâmica de spin em grande escala apoiam esta interpretação, demonstrando a formação de skyrmions antiferromagnéticos do tipo Néel estendidos que abrangem múltiplas células moiré.
Skyrmions e Spintrônica de Baixa Potência
Essas descobertas são importantes além da física básica. Skyrmions são promissores para futuras tecnologias de informação porque são pequenos, estáveis e protegidos pela sua topologia. Eles também podem ser movidos usando muito pouca energia. Criá-los simplesmente ajustando o ângulo de torção, sem litografia, metais pesados ou fortes correntes elétricas, fornece um caminho limpo e orientado pela geometria em direção a dispositivos spintrônicos de baixa potência.
Os pesquisadores descrevem esse fenômeno como uma 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 de mesoescala muito maiores. Isso desafia a ideia de longa data 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 ajustar a troca, a anisotropia e as interações quirais para estabilizar as fases topológicas.
Do ponto de vista prático, essas texturas skyrmiônicas grandes e robustas do tipo Néel são adequadas para integração em dispositivos. Seu tamanho maior os torna mais fáceis de detectar e manipular. Ao mesmo tempo, sua proteção topológica e material isolante sugerem perda de energia extremamente baixa durante a operação. À medida que os cientistas continuam a explorar como a geometria molda o comportamento quântico, esses estados magnéticos emergentes podem desempenhar um papel importante no desenvolvimento de tecnologias de computação pós-CMOS com eficiência energética.
Elton Santos, leitor de Física Teórica / Computacional da Matéria Condensada, 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 magnético. Estamos vendo a ordem de rotação 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 um identificador notavelmente simples com profundas consequências práticas. “
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