No campo de velocidade de materiais bidimensionais, mesmo um pequeno cisalhamento rotacional entre as camadas pode alterar significativamente o comportamento do material. Os cientistas descobriram anteriormente que quando cristais finos de um átomo são montados com um pequeno desalinhamento angular, as suas propriedades electrónicas podem ser transformadas. Esta abordagem, conhecida como engenharia moiré, tornou-se uma estratégia chave para o desenvolvimento de novas formas de matéria quântica.
Agora os pesquisadores relatam em Nanotecnologia da natureza que o magnetismo também pode se comportar de maneira estranha nessas condições. Em camadas antiferromagnéticas torcidas, os padrões de spin magnético não estão limitados a uma pequena célula unitária moiré repetida. Em vez disso, eles podem se estender para estruturas topológicas muito maiores, que abrangem centenas de nanômetros.
Texturas magnéticas gigantes por trás 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. Era amplamente esperado que a ordem magnética nos ímãs de van der Waals dobrados seguisse a mesma escala de comprimento. Novas descobertas desafiam essa suposição.
A equipe investigou o triiodeto de cromo de dupla camada torcida (CrI3) usando magnetometria de varredura de vacâncias de nitrogênio, uma técnica que mapeia campos magnéticos com precisão em nanoescala. Eles observaram texturas magnéticas atingindo distâncias de até 300 nm, que é muito maior que o tamanho de uma única célula moiré e cerca de dez vezes o comprimento de onda subjacente.
O efeito contraditório do ângulo de rotação
Os resultados revelam um quadro inesperado. À medida que o ângulo de torção diminui, o comprimento de onda moiré aumenta. No entanto, as texturas magnéticas não crescem apenas com isso. Em vez disso, sua magnitude varia inversamente, atingindo um pico em torno de 1,1° e desaparecendo acima de ∼2°.
Esta inversão mostra que o magnetismo não está apenas copiando um padrão moiré. Em vez disso, surge de um equilíbrio entre várias forças concorrentes, incluindo interações de troca, anisotropia magnética e a interação Dzialoszynski-Moria. Tudo isso é ajustado pela forma como as camadas giram umas em relação às outras. Simulações em larga escala da dinâmica de spin apoiam esta interpretação, demonstrando a formação de skyrmions antiferromagnéticos do tipo Néel estendidos abrangendo múltiplas células moiré.
Skyrmions e spintrônica de baixa potência
Essas descobertas são importantes não apenas para a física elementar. Os Skyrmions são promissores para a tecnologia da informação do futuro 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 rotação, sem litografia, metais pesados ou fortes correntes elétricas, fornece um caminho limpo e geométrico para dispositivos spintrônicos de baixa potência.
Os pesquisadores descrevem esse fenômeno como uma ordem de torção supermoire, enfatizando que a tecnologia de torção funciona em diferentes escalas. Uma mudança no alinhamento atômico pode criar 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 skyrmion grandes e robustas do tipo Neel 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 de núcleo isolante proporcionam perdas de energia extremamente baixas 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 com eficiência energética além do CMOS.
Elton Santos, professor de Física Teórica / Computacional da Matéria Condensada na Universidade de Edimburgo, cuja equipe liderou a modelagem do projeto, disse:”Esta descoberta mostra que o spin não é apenas uma alça eletrônica, mas magnética. Vemos como a ordem coletiva de spin se auto-organiza em escalas muito maiores do que uma rede moiré. Isso simplesmente abre a porta para projetar estados magnéticos topológicos controlando o ângulo, que é uma alça extremamente simples com profundas implicações práticas. “
