Explorando imanes bidimensionales mediante efecto túnel.

Retomo el blog hablando de nuestro último trabajo,  "Probing magnetism in 2D van der Waals crystalline insulators via electron tunneling", publicado la semana pasada en Science.  Se trata de una colaboración con el grupo de Pablo Jarillo-Herrero, en MIT,  que fabrica y mide  los dispositivos que describo en esta entrada,   el grupo de Paul Canfield en Iowa State University, que proporciona el cristal ferromagnético de triyoduro de cromo que protagoniza la historia,  el grupo del profesor  Watanabe en la Universidad de Tokyio,  que proporciona los cristales de nitruro de boro,  y mi grupo en el INL, que ha llevado a cabo la parte teórica del trabajo. 

El sistema que hemos estudiado es un cristal ferromagnético, triyoduro de cromo  (CrI3).   Al igual que el grafito, el CrI3  puede ser delaminado hasta producir cristales bidimensionales, usando el mismo método que permitió el descubrimiento del grafeno.  En 2017 el grupo de Pablo Jarillo-Herrero  reportó por primera vez la observación de orden ferromagnético en un cristal bidimensional de triyoduro de cromo.  Es cierto que desde hace ya más de 30 años varios grupos en el mundo son capaces de producir láminas ferromagnéticas  de espesor atómico, integradas en multicapas.  La novedad del descubrimiento del CrI3 radica en que se trata de un cristal autónomo ("stand-alone"), que puede ser estable en una variedad de substratos.  Así,  y a diferencia de lo que ocurre con el crecimiento de multicapas tradicional,  la integración de varios cristales bidimensionales diferentes mediante  apilamiento permite fabricar las llamadas multicapas de Van der Waals, en alusión a la interacción débil que tiene lugar entre cristales bidimensionales.   Esta ventaja explica por qué en menos de un año varios grupos en el mundo han sido capaces de producir dispositivos electrónicos que integran monocapas de triyoduro de cromo, haciendo posible la observación de varios fenómenos físicos novedosos.

En el caso de nuestro trabajo, los dispositivos en cuestión contienen un número pequeño (de 2 a 4) capas de triyoduro de cromo, que separan  dos electrodos de grafito.  Ambos,  grafito y CrI3,  son  encapsulados en nitruro de boro (BN) , que actúa como una membrana protectora para prevenir la degradación del CrI3,  que es muy reactivo.  En este dispositivo,   la circulación de corriente eléctrica de un electrodo de grafito al otro, implica el paso de los electrones a través del CrI3, que es un material aislante (véase la figura). Esto es posible gracias a que el diminuto grosor de la capa de CrI3,  unos pocos planos atómicos, permite a los electrones pasar a través del efecto túnel cuántico.  Como dice José Lado, uno de los colegas coautor del trabajo, "la mecánica cuántica nos dice que si lanzamos suavemente un objeto contra una pared, existe una probabilidad de que la atraviese, en lugar de rebotar.  En el caso de objetos macroscópicos esta probabilidad es tan pequeña que nunca observamos el efecto. En cambio, cuando se trata de electrones atravesando "paredes" de espesor atómico,  la probabilidad de que ocurra el efecto túnel es apreciable, y permite el paso de corriente en nuestros circuitos".

Esquema de la unión túnel magnética con electrodos de grafito y barrera túnel de CrI3. Tomado de D. R. Klein et al, Science, DOI: 10.1126/science.aar3617

El dispositivo en cuestión funciona de forma similar a una unión túnel magnética  (UTM), aunque con una diferencia llamativa. Mientras que en las UTM convencionales, los electrodos conductores son metales ferromagnéticos, y la barrera túnel es un material aislante no magnético, en nuestro caso el material magnético hace  de barrera aislante, mientras que los electrodos son no magnéticos (grafito).   La resistencia eléctrica del una UTM convencional depende de la orientación relativa de la magnetización de los electrodos. Así, cuando ambos imanes apuntan en la misma dirección, la resistencia es menor.  Llamamos magnetoresistencia túnel a la variación de la resistencia como función de la orientación relativa de la magnetización en una UTM. 

En nuestros dispositivos,  es posible variar de forma independiente la  orientación relativa de los diferentes planos atómicos de CrI3 que están en la barrera.  La magnetoresistencia observada toma valores muy grandes, lo cuál nos indica que los electrones que "tunelean"  están fuertemente influidos por el magnetismo del CrI3.   De acuerdo con la tercera ley de Newton, la afirmación recíproca también es cierta: los electrones ejercen un efecto sobre el magnetismo del triyoduro de cromo.  En particular,  los dispositivos permiten observar como los electrones son capaces de generar, a su paso por el triyoduro de cromo,   ondas de spin cuantizadas, o "magnones". Este tipo de  partícula está presente en todos los materiales magnéticos, pero son particularmente relevantes en materiales bidimensionales.   Nuestros dispositivos nos han aportado información sobre cómo los  magnones interactúan entre si y con los electrones "tuneleantes" , sobre la   interacciones magnéticas entre las diferentes capas monoatómicas de  triyoduro de cromo.

Habiendo pasado menos de un año desde su descubrimiento,  la facilidad con la que los cristales bidimensionales de triyoduro pueden ser utilizados para construir dispositivos de Van der Waals  ha permitido llevar a cabo experimentos que requirieron más de 30 años de trabajo usando técnicas de fabricación convencionales con metales ferromagnéticos.  En su día el grafeno hizo posible la fabricación de dispositivos electrónicos de alta movilidad usando métodos baratos y rudimentarios de fabricación.  De forma análoga, el triyoduro de cromo está haciendo lo mismo con el caso de dispositivos magnetoelectrónicos en el campo de la "Espintrónica".  En ambos casos,  estos avances se limitan, de momento, al ámbito de la investigación científica.    El tiempo dirá si, además,  estos descubrimientos pueden trasladarse al ámbito de las aplicaciones, y acabar integrados en los dispositivos electrónicos comerciales.

Nanoimanes de diseño

Tras unas semanas de locos sin tiempo para el blog, hoy quiero hablar de nuestra colaboración  con el grupo de Sander Otte en  la Universidad de Delft y que ha salido publicada en  Nature Materials,  que además le ha dedicado su portada. 

Todos hemos jugado alguna vez con un imán. Cualquier objeto que uno pueda manipular con los dedos y ver a simple vista  está hechos de millones de trillones de átomos (o sea, un uno seguido de 24 ceros).  Gracias a su  microscopio de efecto túnel,  nuestros colegas de Delft pueden "jugar" con un imán hecho con únicamente  6 átomos de hierro.  Dicho instrumento permite  depositar átomos, uno a uno,   en una superfície y estudiar sus propiedades.  En este caso,  los 6 átomos de hierro fueron depositados  en línea recta, separados por apenas 0.7 nanómetros de distancia, algo así como el doble de la distancia a la que estarían el hierro metálico convencional.

Recreación artística de una cadena de átomos depositada en una superficie y observada con un miscroscopio de efecto túnel.

¿Y cómo se comporta dicho imán?.  Para saberlo,  nuestros colegas hicieron dos tipos de experimento, ambos usando el microscopio de efecto túnel. Como se puede ver en la figura, éste consiste en una aguja metálica que es posible acercar a la superficie a una distancia de apenas el tamaño de 2 o 3  átomos.  Con dicha punta se pueden mover los átomos y se puede hacer pasar corriente eléctrica a través de ellos. 

 En un primer experimento,   la punta estaba también formada por átomos de hierro. Así, teníamos dos imanes, en la punta y en la superficie. De forma análoga a los imanes convencionales, que se pueden atraer o repeler dependiendo de la orientación relativa de sus polos magnéticos,  en el caso de punta y superficie es el paso de corriente el que depende de dicha orientación relativa. Este efecto se conoce como magnetoresistencia túnel y es el principio físico que usa la cabeza lectora de los discos duros, pero esta es otra historia.  Lo importante aquí es que la magnetoresistencia túnel hace posible medir en tiempo real si los dos imanes "se atraen" o se "repelen".   Debido a su minúsculo tamaño, los polos magnéticos  de nuestro pequeño imán se invierten cada pocos segundos. 

En un segundo tipo de experimento,  comprobamos como el transporte de electricidad a través de cada uno de los 6 átomos de la cadena era ligeramente diferente, tal y como esperábamos de acuerdo con los modelos mecánico-cuánticos que describen este fascinante sistema.  Esas pequeñas diferencias,  nos permiten sacar una especie de fotografía magnética del sistema,  con cierto parecido con las imágenes de resonancia magnética nuclear que nos toman en un hospital,  pero con una resolución millones de veces mejor.   Usando jerga para expertos,  hemos sacado imágenes con resolución atómica de las ondas de spin de una cadena de átomos.  

Por último, este experimento abre la puerta a una multitud de posibilidades para diseñar imanes cuyas propiedades se puedan controlar, variando su tamaño, disposición encima de la superficie, así como la composición química de ésta.    En los próximos años vamos a estudiar estos  nanoimanes de diseño y explorar así las propiedades fascinantes de la materia en una escala en la que los efectos cuánticos desempeñan un papel preponderante.