Primera prueba experimental de una teoría física de 70 años

Recientemente, científicos de todo el mundo están investigando las propiedades y aplicaciones de materiales extremadamente delgados en 2-D, de sólo un átomo de grosor, como el grafeno.

El estudio de las propiedades de los materiales 2-D en comparación con sus contrapartes tridimensionales plantea muchas preguntas, una de ella se refiere a transiciones de fase magnética.

Algunos materiales son magnéticos debido al comportamiento de los giros de sus electrones. En términos simples, los espines (números cuánticos de espín, o más precisamente sus momentos magnéticos asociados), son como imanes diminutos, convencionalmente mostrados como flechas. A temperaturas extremadamente bajas, estos giros tienden a alinearse, disminuyendo la energía total de los electrones. Sin embargo, por encima de una temperatura específica que varía de material a material, los giros pierden su alineación y se orientan aleatoriamente.

Similar a cómo el hielo pierde su orden interno y se convierte en líquido por encima de una cierta temperatura, los imanes tridimensionales también pierden su magnetización por encima de una temperatura crítica. Esto se llama transición de fase y es un proceso siempre presente en objetos tridimensionales.

Sin embargo, ¿qué sucede con los sistemas 1D y 2-D a bajas temperaturas? ¿Experimentan una transición de fase? En otras palabras, ¿vamos a ver una transición de sólido a líquido en una cadena de moléculas de agua (1D) o en una hoja de agua de un átomo grueso (2-D)?

Hace aproximadamente un siglo, el físico Wilhelm Lenz pidió a su estudiante Ernst Ising que solucionara este problema para los sistemas 1D. Ising lo explicó en 1925 y concluyó que los materiales 1D no tienen transiciones de fase. Entonces, Ising trató de lidiar con la misma pregunta para un tipo particular de materiales 2-D. El problema resultó ser mucho más difícil.

La solución llegó en 1943 con la cortesía de Lars Onsager, que recibió el Premio Nobel de Química en 1968. De hecho, Onsager encontró que los materiales, que siguen el modelo de espín de Ising, tienen una transición de fase. Sin embargo, a pesar de la enorme importancia que esta teoría tiene en el siguiente desarrollo de toda la física de las transiciones de fase, nunca ha sido probada experimentalmente usando un material magnético real.

"La física de los sistemas 2-D es única y emocionante. La solución de Onsager se enseña en todos los cursos avanzados de mecánica estadística. Hay es donde me enteré de este problema. Sin embargo, cuando descubrí mucho más tarde que no ha sido probado experimentalmente con un material magnético, pensé que era una vergüenza para los experimentalistas como yo, así que era natural para mí buscar un material real para probarlo ", explica Park Je-Geun, jefe del equipo investigador.

Para probar el modelo de Onsager, el equipo de investigación produjo cristales de tritiohipofosfato de hierro (FePS3) con una técnica llamada vapor de vapor químico. Los cristales están hechos de capas unidas por interacciones débiles, conocidas como interacciones de Van der Waals. Las capas se pueden retirar del cristal usando la cinta escocesa, de la misma manera que la cinta puede retirar la pintura de una pared. Los científicos retiraron las capas hasta que se quedaron con sólo una capa de FePS3 (2-D). "Podemos llamar a estos materiales materiales magnéticos de Van der Waals o grafeno magnético: son magnéticos y tienen enlaces Van der Waals fáciles de separar entre capas. Son muy raros y su física aún no se ha explorado", dice el profesor.

Si bien existen varios métodos para medir las propiedades magnéticas de materiales a granel 3-D, estas técnicas no tienen ningún uso práctico para medir señales magnéticas procedentes de materiales monocapa. Por lo tanto, el equipo utilizó la espectroscopía Raman, una técnica normalmente utilizada para medir las vibraciones dentro del material. Utilizaban las vibraciones como una medida indirecta del magnetismo, cuanto más vibraciones, menos magnetización.

El equipo de Park y sus colegas utilizaron por primera vez la espectroscopia Raman en material de FePS3 3-D a granel a diferentes temperaturas y luego probaron la monocapa de FePS3 2-D. "La prueba con la muestra a granel nos mostró que las señales Raman se pueden utilizar como una especie de la huella digital de transición de fase a temperaturas de alrededor de 118 Kelvin o menos 155 grados Celsius.

Con esta confirmación, a continuación, se midió la muestra monocapa y se encontraron los mismos patrones ", señala Park. "Concluimos que FePS3 en 3-D y 2-D tienen la misma firma de la transición de fase visible en el espectro Raman". Tanto en la muestra global como en la monocapa, los espines FePS3 se ordenan (antiferromagnéticos) a temperaturas muy bajas, y se vuelven desordenados (paramagnéticos) por encima de 118 grados Kelvin. "Mostrar la transición de fase magnética con este experimento tour-de-force es una hermosa prueba para la solución Onsager", concluye el físico.

En el futuro, el equipo quisiera estudiar otros materiales de metal de transición en 2D, que van más allá del modelo de espín Ising en 2D.