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O material semicondutor bidimensional dissulfeto de molibdênio é preenchido com elétrons (esferas vermelhas). A interação elétron-elétron faz com que os spins de todos os elétrons (setas vermelhas) se alinhem na mesma direção. A energia de troca necessária para inverter um único spin de elétron no estado ferromagnético pode ser determinada pela separação entre duas linhas espectrais específicas. Crédito: N. Leisgang, Universidade de Harvard, anteriormente Departamento de Física, Universidade de Basel/Scixel
Um estudo ampliou o escopo de materiais ferromagnéticos para incluir dissulfeto de molibdênio, mostrando que ele pode exibir propriedades semelhantes ao ferro sob certas condições. Isso inclui medir a energia necessária para modificar seus spins de elétrons, destacando sua estabilidade e utilidade potenciais.
Ferromagnetismo é um fenômeno físico importante que desempenha um papel fundamental em muitas tecnologias. É bem conhecido que metais como ferro, cobalto e níquel são magnéticos à temperatura ambiente porque seus spins de elétrons estão alinhados em paralelo — e é somente em temperaturas muito altas que esses materiais perdem suas propriedades magnéticas.
Descobrindo novas propriedades ferromagnéticas
Pesquisadores liderados pelo Professor Richard Warburton do Departamento de Física e do Instituto Suíço de Nanociência da Universidade de Basel mostraram que o dissulfeto de molibdênio também exibe propriedades ferromagnéticas sob certas condições. Quando submetido a baixas temperaturas e a um campo magnético externo, os spins dos elétrons neste material apontam todos para a mesma direção.
Em seu último estudo, publicado em 8 de julho na revista Cartas de revisão físicaos pesquisadores determinaram quanta energia é necessária para inverter o spin de um elétron individual dentro desse estado ferromagnético. Essa “energia de troca” é significativa porque descreve a estabilidade do ferromagnetismo.
O trabalho de detetive produziu uma solução simples
“Nós excitamos o dissulfeto de molibdênio usando um laser e analisamos as linhas espectrais que ele emitiu”, explica a Dra. Nadine Leisgang, autora principal do estudo. Dado que cada linha espectral corresponde a um comprimento de onda e energia específicos, os pesquisadores foram capazes de determinar a energia de troca medindo a separação entre linhas espectrais específicas. Eles descobriram que no dissulfeto de molibdênio, essa energia é apenas cerca de 10 vezes menor do que no ferro — indicando que o ferromagnetismo do material é altamente estável.
“Embora a solução pareça simples, foi necessário um trabalho de detetive considerável para alocar as linhas espectrais corretamente”, diz Warburton.
Materiais 2D na Tecnologia Moderna
Materiais bidimensionais desempenham um papel fundamental na pesquisa de materiais graças às suas propriedades físicas especiais, que são o resultado de efeitos mecânicos quânticos. Eles também podem ser empilhados para formar “heteroestruturas de van der Waals”.
No exemplo visto neste estudo, a camada de dissulfeto de molibdênio é cercada por nitreto de boro hexagonal e grafeno. Essas camadas são mantidas juntas por ligações fracas de van der Waals e são de interesse nos campos da eletrônica e optoeletrônica graças às suas propriedades únicas. Entender suas propriedades elétricas e ópticas é vital para aplicá-las a tecnologias futuras.
Referência: “Energia de troca do estado fundamental eletrônico ferromagnético em um semicondutor monocamada” por Nadine Leisgang, Dmitry Miserev, Hinrich Mattiat, Lukas Schneider, Lukas Sponfeldner, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Martino Poggio e Richard J. Warburton, 8 de julho de 2024, Cartas de revisão física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.026501