First-principles-based search for emergent topological spin textures in transition-metal dichalcogenide monolayers

Immaginate un mondo in cui l'informazione non è conservata come bit statici di elettricità, ma come minuscoli, vorticosi nodi di magnetismo. Nel regno della fisica moderna, questi nodi sono noti come texture di spin topologiche. Sono come vortici microscopici in un mare di atomi magnetici, dove la direzione dello spin di ogni atomo si intreccia e si torce in un modello continuo e protetto. Poiché questi modelli sono "topologici", sono straordinariamente stabili; non possono essere facilmente sciolti o cancellati da piccole perturbazioni, proprio come un nodo in una corda che tiene saldo anche quando la corda viene scossa. Gli scienziati sono profondamente interessati a queste strutture perché potrebbero servire come blocchi costruttivi per una nuova generazione di dispositivi di memoria e logica che siano più veloci, più piccoli e più efficienti dal punto di vista energetico rispetto a tutto ciò che abbiamo oggi. Tuttavia, trovare il materiale giusto per ospitare questi nodi magnetici è stata una sfida difficile. La sfida risiede nel fatto che queste texture emergono da un equilibrio delicato e complesso di forze tra gli atomi, forze che sono spesso troppo sottili per essere previste senza osservare il materiale al suo livello più fondamentale.

Un team di ricercatori ha affrontato ora questa sfida sviluppando un nuovo e potente modo per cercare questi materiali. Si sono concentrati su una vasta famiglia di materiali bidimensionali chiamati dicalcogenuri di metalli di transizione. Questi sono singoli strati di atomi, spessi solo pochi atomi, composti da un metallo di transizione "sandwichato" tra due strati di zolfo, selenio o tellurio. Alcuni di questi strati sono uniformi, mentre altri sono strutture "Janus", dove lo strato superiore e quello inferiore sono fatti di elementi diversi, rompendo la simmetria del materiale in un modo che incoraggia la formazione di questi nodi magnetici. I ricercatori si sono posti l'obiettivo di esaminare centinaia di queste possibili combinazioni per vedere quali potessero ospitare naturalmente le stati magnetici vorticosi che cercavano.

Per farlo, il team ha creato un flusso di lavoro computazionale multi-fase che agisce come un filtro ad alta velocità. Per prima cosa, hanno utilizzato un metodo chiamato teoria del funzionale della densità per calcolare la struttura elettronica di base e l'energia di 312 diversi candidati materiali. Questo screening iniziale ha eliminato la maggior parte delle opzioni, lasciando solo 54 materiali che mostravano promesse per ospitare stati magnetici. Per questi sopravvissuti, i ricercatori hanno applicato una tecnica chiamata teoria della forza magnetica. Ciò ha permesso loro di calcolare le specifiche forze magnetiche che agiscono tra gli atomi senza dover simulare l'intero materiale da zero ogni volta. Hanno determinato quanto fortemente gli atomi volessero allinearsi tra loro, quanto volessero torcersi a causa di effetti relativistici e quanto resistessero al cambio di direzione. Infine, hanno eseguito massicce simulazioni atomistiche, creando essenzialmente un parco giochi virtuale di migliaia di atomi magnetici, per osservare come si sarebbero disponessero nel tempo. Partendo da molte diverse disposizioni casuali e lasciando che il sistema si assestasse, potevano vedere quali modelli magnetici fossero i più stabili e probabili nella formazione nel mondo reale.

La ricerca ha prodotto un ricco raccolto di nuovi candidati. I ricercatori hanno identificato quattro materiali specifici che stabilizzano gli skyrmion, che sono il tipo più famoso di questi nodi magnetici. Questi materiali sono 2H-RuSSe, 1T-VSSe, 2H-TcSTe e 1T-FeSTe. In questi sistemi, i momenti magnetici vorticano attorno a un nucleo centrale, creando una distinta carica topologica. Lo studio ha rivelato che il motivo per cui questi skyrmion si formano non è sempre lo stesso. In alcuni casi, un tipo specifico di interazione noto come interazione di Dzyaloshinskii-Moriya, che sorge dalla mancanza di simmetria nel cristallo, è il motore primario, costringendo gli spin a torcersi. In altri casi, è la competizione tra diverse forze magnetiche che crea uno stato di frustrazione, impedendo agli spin di allinearsi in una semplice linea retta e costringendoli invece in una texture vorticosa.

Oltre ai semplici skyrmion, il team ha anche scoperto materiali che ospitano bimeroni. Questi sono simili agli skyrmion, ma sono orientati diversamente, con i loro nuclei magnetici che giacciono piatti nel piano del materiale piuttosto che puntare verso l'alto e verso il basso. Quattro composti sono stati trovati capaci di supportare queste strutture: 1T-FeSeTe, 1T-CrSeTe, 1T-RuS2 e 2H-FeS2. I ricercatori hanno anche scoperto una quarta categoria di materiali che formano pattern di dominio a labirinto. Questi appaiono come una complessa rete sinuosa di strisce magnetiche. In materiali come 2H-FeSTe e 1T-MnS2, questi pattern a labirinto non sono solo statici; possono essere trasformati in skyrmion quando viene applicato un campo magnetico esterno. Questa capacità di passare tra diversi stati magnetici con un semplice campo è una caratteristica cruciale per potenziali applicazioni nei dispositivi.

Lo studio ha anche esaminato materiali in cui gli atomi preferiscono allinearsi in un pattern antiferromagnetico, il che significa che i vicini puntano in direzioni opposte. Anche in questi sistemi, i ricercatori hanno trovato texture complesse come vortici e spirali, particolarmente in composti contenenti manganese e cromo. Un'intuizione chiave del lavoro è stata l'importanza di guardare oltre i vicini immediati di un atomo. I ricercatori hanno scoperto che le forze magnetiche che si estendono ai secondi e terzi vicini giocano un ruolo critico nel determinare se queste texture complesse si formino. Se queste forze a lungo raggio vengono ignorate, le simulazioni spesso prevedono lo stato magnetico errato, evidenziando che un quadro completo richiede la considerazione dell'intera rete di interazioni, non solo di quelle più vicine.

I ricercatori hanno verificato che il loro approccio computazionale fosse affidabile controllando che le interazioni magnetiche calcolate seguissero le regole fisiche stabilite riguardanti la simmetria. Hanno anche notato che, sebbene le loro simulazioni siano state eseguite allo zero assoluto, le differenze di energia tra le texture complesse e gli stati magnetici semplici erano abbastanza piccole che queste strutture potrebbero probabilmente persistere a temperature più elevate, potenzialmente anche a temperatura ambiente, nelle giuste condizioni. Molti dei materiali predetti in questo studio, inclusi alcuni materiali Janus, sono già stati sintetizzati in laboratori, suggerendo che il percorso dalla scoperta teorica alla verifica sperimentale sia breve. Fornendo una mappa chiara di quali materiali ospitano quali texture magnetiche e spiegando le forze fisiche dietro di esse, questo lavoro offre un quadro pratico per accelerare la scoperta di nuovi materiali magnetici. Sposta il campo oltre il metodo del tentativo ed errore, fornendo una lista mirata di candidati che gli sperimentali possono ora testare per costruire la prossima generazione di tecnologie basate sullo spin.