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

Imagine um mundo onde a informação não é armazenada como bits estáticos de eletricidade, mas como minúsculos nós magnéticos giratórios. No reino da física moderna, esses nós são conhecidos como texturas de spin topológicas. Eles são como redemoinhos microscópicos em um mar de átomos magnéticos, onde a direção do spin de cada átomo gira e se retorce em um padrão contínuo e protegido. Como esses padrões são "topológicos", eles são notavelmente estáveis; não podem ser facilmente desatados ou apagados por perturbações menores, tal como um nó em uma corda que se mantém firme mesmo quando a corda é sacudida. Cientistas estão profundamente interessados nessas estruturas porque elas poderiam servir como os blocos de construção para uma nova geração de dispositivos de memória e lógica que seriam mais rápidos, menores e mais eficientes energeticamente do que qualquer coisa que temos hoje. No entanto, encontrar o material certo para hospedar esses nós magnéticos tem sido um quebra-cabeça difícil. O desafio reside no fato de que essas texturas emergem de um equilíbrio delicado e complexo de forças entre átomos, forças que são frequentemente sutis demais para serem previstas sem observar o material no seu nível mais fundamental.

Uma equipe de pesquisadores abordou agora este desafio desenvolvendo uma nova e poderosa maneira de buscar esses materiais. Eles se concentraram em uma grande família de materiais bidimensionais chamados dicalco-genetos de metais de transição. Estas são camadas únicas de átomos, com apenas alguns átomos de espessura, feitas de um metal de transição "sanduichado" entre duas camadas de enxofre, selênio ou telúrio. Algumas dessas camadas são uniformes, enquanto outras são estruturas "Janus", onde as camadas superior e inferior são feitas de elementos diferentes, quebrando a simetria do material de uma forma que incentiva a formação desses nós magnéticos. Os pesquisadores se propuseram a rastrear centenas dessas combinações possíveis para ver quais poderiam naturalmente estabilizar os estados magnéticos giratórios que buscavam.

Para fazer isso, a equipe criou um fluxo de trabalho computacional de múltiplas etapas que atua como um filtro de alta velocidade. Primeiro, eles usaram um método chamado teoria do funcional da densidade para calcular a estrutura eletrônica básica e a energia de 312 diferentes candidatos a materiais. Esta triagem inicial eliminou a maioria das opções, deixando apenas 54 materiais que mostravam potencial para hospedar estados magnéticos. Para esses sobreviventes, os pesquisadores aplicaram uma técnica chamada teoria de força magnética. Isso permitiu que eles calculassem as forças magnéticas específicas atuando entre os átomos sem ter que simular todo o material do zero a cada vez. Eles determinaram quão fortemente os átomos queriam se alinhar uns com os outros, quão fortemente queriam girar devido a efeitos relativísticos e como resistiam à mudança de direção. Finalmente, realizaram simulações atomísticas massivas, essencialmente criando um playground virtual de milhares de átomos magnéticos, para observar como eles se organizariam ao longo do tempo. Ao começar de muitas configurações aleatórias e deixar o sistema se estabilizar, eles puderam ver quais padrões magnéticos eram os mais estáveis e prováveis de se formar no mundo real.

A busca rendeu uma rica colheita de novos candidatos. Os pesquisadores identificaram quatro materiais específicos que estabilizam esbírions, que são o tipo mais famoso desses nós magnéticos. Esses materiais são 2H-RuSSe, 1T-VSSe, 2H-TcSTe e 1T-FeSTe. Nesses sistemas, os momentos magnéticos giram em torno de um núcleo central, criando uma carga topológica distinta. O estudo revelou que a razão pela qual esses esbírions se formam nem sempre é a mesma. Em alguns casos, um tipo específico de interação conhecido como interação Dzyaloshinskii-Moriya, que surge da falta de simetria no cristal, é o principal motor, forçando os spins a girar. Em outros casos, é a competição entre diferentes forças magnéticas que cria um estado de frustração, impedindo que os spins se alinhem em uma linha reta simples e, em vez disso, forçando-os a uma textura giratória.

Além dos esbírions simples, a equipe também descobriu materiais que hospedam bimerons. Estes são semelhantes aos esbírions, mas são orientados de forma diferente, com seus núcleos magnéticos situados horizontalmente dentro do plano do material, em vez de apontarem para cima e para baixo. Quatro compostos foram encontrados para suportar essas estruturas: 1T-FeSeTe, 1T-CrSeTe, 1T-RuS2 e 2H-FeS2. Os pesquisadores também descobriram uma quarta categoria de materiais que formam padrões de domínio em forma de labirinto. Estes parecem uma rede complexa e sinuosa de listras magnéticas. Em materiais como 2H-FeSTe e 1T-MnS2, esses padrões de labirinto não são apenas estáticos; eles podem ser transformados em esbírions quando um campo magnético externo é aplicado. Essa capacidade de alternar entre diferentes estados magnéticos com um simples campo é uma característica crucial para potenciais aplicações em dispositivos.

O estudo também analisou materiais onde os átomos preferem se alinhar em um padrão antiferromagnético, o que significa que os spins vizinhos apontam em direções opostas. Mesmo nesses sistemas, os pesquisadores encontraram texturas complexas como vórtices e espirais, particularmente em compostos contendo manganês e cromo. Um insight fundamental do trabalho foi a importância de olhar além dos vizinhos imediatos de um átomo. Os pesquisadores descobriram que as forças magnéticas que se estendem até o segundo e terceiro vizinhos mais próximos desempenham um papel crítico na determinação de se essas texturas complexas se formam. Se essas forças de longo alcance forem ignoradas, as simulações frequentemente preveem o estado magnético errado, destacando que uma imagem completa requer considerar toda a rede de interações, não apenas as mais próximas.

Os pesquisadores verificaram que sua abordagem computacional era confiável ao checar que suas interações magnéticas calculadas seguiam regras físicas estabelecidas de simetria. Eles também observaram que, embora suas simulações tenham sido realizadas no zero absoluto, as diferenças de energia entre as texturas complexas e os estados magnéticos simples eram pequenas o suficiente para que essas estruturas pudessem provavelmente persistir em temperaturas mais altas, possivelmente até temperatura ambiente, sob as condições certas. Muitos dos materiais previstos neste estudo, incluindo alguns da estrutura Janus, já foram sintetizados em laboratórios, sugerindo que o caminho da descoberta teórica para a verificação experimental é curto. Ao fornecer um mapa claro de quais materiais hospedam quais texturas magnéticas e explicando as forças físicas por trás delas, este trabalho oferece uma estrutura prática para acelerar a descoberta de novos materiais magnéticos. Ele move o campo além do método de tentativa e erro, fornecendo uma lista direcionada de candidatos que experimentalistas agora podem testar para construir a próxima geração de tecnologias baseadas em spin.