Num mundo onde os materiais bidimensionais se movem rapidamente, mesmo pequenos deslocamentos rotacionais entre as camadas podem alterar drasticamente a forma como o material se comporta. Os cientistas descobriram anteriormente que quando cristais atomicamente finos são empilhados com pequenas incompatibilidades angulares, as suas propriedades electrónicas mudam. Esta abordagem, conhecida como engenharia de Mohr, tornou-se uma estratégia chave para projetar novos tipos de matéria quântica.
Agora os pesquisadores relatam Nanotecnologia da Natureza Nestas condições, o magnetismo também se manifesta de forma surpreendente. Em camadas antiferromagnéticas torcidas, os padrões de spin magnético não estão limitados a pequenas células unitárias repetidas de Mohr. Em vez disso, eles podem se difundir em topologias maiores, estendendo-se por centenas de nanômetros.
Enorme textura magnética além do padrão moiré
Na maioria dos sistemas moiré, a magnitude do efeito físico é diretamente determinada pelo padrão de interferência produzido quando as duas redes cristalinas se sobrepõem. É geralmente aceito que a ordem magnética dos ímãs de van der Waals empilhados segue a mesma escala de comprimento. Novas descobertas desafiam essa suposição.
A equipe de pesquisa examinou bicamadas duplas torcidas de triiodeto de cromo (CrI3) usa magnetometria de varredura de vacância de nitrogênio, uma técnica que gera imagens de campos magnéticos com precisão em escala nanométrica. Eles observaram que as texturas magnéticas abrangem distâncias de até cerca de 300 nm, muito além do tamanho de uma única célula moiré e cerca de dez vezes maiores que a onda subjacente.
Efeito de ângulo de torção contra-intuitivo
Os resultados revelaram um padrão inesperado. À medida que o ângulo de torção diminui, o comprimento de onda moiré aumenta. No entanto, a textura magnética não cresce simplesmente junto com ela. Em vez disso, seus tamanhos variam no sentido oposto, atingindo um máximo próximo a 1,1° e desaparecendo acima de 2°.
Esta inversão mostra que o magnetismo faz mais do que apenas replicar o padrão moiré. Em vez disso, surge do equilíbrio entre várias forças concorrentes, incluindo interações de troca, anisotropia magnética e a interação Dzyaloshinskii-Moriya. Tudo isso é sutilmente ajustado pela forma como as camadas giram umas em relação às outras. Simulações de dinâmica de spin em larga escala apoiam esta interpretação, demonstrando a formação de skyrmions antiferromagnéticos do tipo Neel estendidos abrangendo múltiplas células de Mohr.
Skyrmions e spintrônica de baixa potência
O significado dessas descobertas vai além da física básica. Skyrmions são promissores para a tecnologia da informação do futuro porque são pequenos, estáveis e protegidos topologicamente. Eles também podem se mover usando muito pouca energia. Eles podem ser criados simplesmente ajustando o ângulo de torção, sem a necessidade de fotolitografia, metais pesados ou correntes fortes, fornecendo um caminho limpo e orientado pela geometria para dispositivos spintrônicos de baixa potência.
Os pesquisadores descrevem o fenômeno como ordem de spin super Mohr, enfatizando que a engenharia de torção opera em múltiplas escalas. Mudanças no arranjo atômico podem produzir estruturas topológicas em distâncias maiores de mesoescala. Isto desafia a visão de longa data de que a física de Mohr é apenas um efeito local e posiciona o ângulo de torção como um poderoso parâmetro de controle termodinâmico capaz de regular a troca, a anisotropia e as interações quirais para estabilizar as fases topológicas.
De uma perspectiva prática, essas texturas skyrmion grandes e robustas do tipo Neel são ideais para integração em dispositivos. Seu tamanho maior os torna mais fáceis de detectar e manobrar. Ao mesmo tempo, sua proteção topológica e materiais isolantes apresentam perdas de energia extremamente baixas durante a operação. À medida que os cientistas continuam a explorar como a geometria molda o comportamento quântico, este estado magnético emergente pode desempenhar um papel importante no desenvolvimento de tecnologias de computação pós-CMOS com eficiência energética.
Elton Santos, professor de Física Teórica / Computacional da Matéria Condensada na Universidade de Edimburgo, que liderou o trabalho de modelagem do projeto, disse:”Esta descoberta mostra que a torção não é apenas um botão eletrônico, mas um botão magnético. Vemos que a ordem de rotação coletiva se auto-organiza em escalas muito maiores do que a rede de Mohr. Ela abre a porta para projetar estados magnéticos topológicos simplesmente controlando o ângulo, que é uma alça muito simples. “
