No acelerado campo dos materiais bidimensionais, até mesmo um leve deslocamento rotacional entre as camadas pode mudar drasticamente o comportamento de um material. Cientistas anteriormente descobriram que, quando cristais com espessura atômica são empilhados com um pequeno desvio angular, suas propriedades eletrônicas podem se transformar. Essa abordagem, conhecida como engenharia moiré, se tornou uma estratégia fundamental para projetar novas formas de matéria quântica.
Agora, pesquisadores relatam na Nature Nanotechnology que o magnetismo também pode se comportar de maneiras surpreendentes nessas condições. Em camadas antiferromagnéticas torcidas, os padrões de spin magnético não estão limitados ao pequeno célula unitária moiré. Em vez disso, eles podem se espalhar em estruturas topológicas muito maiores que se estendem por centenas de nanômetros.
Texturas Magnéticas Gigantes Além 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. A ordem magnética em ímãs de van der Waals empilhados era amplamente esperada para seguir essa mesma escala de comprimento. As novas descobertas desafiam essa suposição.
A equipe examinou um duplo bilayer torcido de triiodeto de cromo (CrI3) usando magnetometria por nitrogênio-vácuo, uma técnica que imagina campos magnéticos com precisão em escala nanométrica. Eles observaram texturas magnéticas alcançando distâncias de até ~300 nm, muito além do tamanho de uma única célula moiré e aproximadamente dez vezes maior do que a comprimento de onda subjacente.
Um Efeito Contraditório do Ângulo de Torção
Os resultados revelam um padrão inesperado. Quando o ângulo de torção se torna menor, o comprimento de onda moiré aumenta. No entanto, as texturas magnéticas não simplesmente crescem junto com ele. Em vez disso, seu tamanho muda de maneira oposta, atingindo um máximo próximo a 1,1° e desaparecendo acima de ~2°.
Essa reversão mostra que o magnetismo não está apenas copiando o template moiré. Em vez disso, ele surge de um equilíbrio entre várias forças concorrentes, incluindo interações de troca, anisotropia magnética e interações de Dzyaloshinskii-Moriya. Todas essas são sutilmente ajustadas pela rotação das camadas em relação umas às outras. Simulações de dinâmica de spin em larga escala apoiam essa interpretação, demonstrando a formação de skyrmions antiferromagnéticos do tipo Néel estendidos que se estendem por várias células moiré.
Skyrmions e Spintrônica de Baixa Potência
Essas descobertas são relevantes além da física básica. Skyrmions são promissores para as futuras tecnologias da informação porque são pequenos, estáveis e protegidos por sua topologia. Eles também podem ser movidos usando muito pouca energia. Criá-los simplesmente ajustando o ângulo de torção, sem litografia, metais pesados ou fortes correntes elétricas, oferece um caminho limpo e direcionado pela geometria em direção a dispositivos spintrônicos de baixa potência.
Os pesquisadores descrevem esse fenômeno como uma ordem de spin super-moiré, destacando que a engenharia de torção opera em múltiplas escalas. Uma mudança no alinhamento atômico pode gerar estruturas topológicas em distâncias muito maiores, em escala mesoscópica. Isso desafia a ideia amplamente sustentada 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 sintonizar interações de troca, anisotropia e quiralidade para estabilizar fases topológicas.
De uma perspectiva prática, essas texturas robustas do tipo Néel são bem adequadas para integração em dispositivos. Seu tamanho maior as torna mais fáceis de detectar e manipular. Ao mesmo tempo, sua proteção topológica e o material hospedeiro isolante sugerem 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 pós-CMOS, eficientes em termos de energia.
O Dr. Elton Santos, leitor em Física da Matéria Condensada Teórica/Computacional da Universidade de Edimburgo, cujo time liderou o aspecto de modelagem do projeto, disse: “Essa descoberta mostra que a torção não é apenas um controle eletrônico, mas um controle magnético. Estamos vendo uma ordem coletiva de spin se auto-organizar em escalas muito maiores do que a rede moiré. Isso abre a porta para projetar estados magnéticos topológicos simplesmente controlando o ângulo, que é um manípulo notavelmente simples com consequências práticas profundas.”