Científicos logran observar por primera vez fenómenos magnéticos y vibraciones atómicas en materiales bidimensionales

Dos equipos de investigación internacionales han logrado avances significativos en el campo de los materiales bidimensionales (2D), abriendo nuevas posibilidades para el almacenamiento de datos y la computación cuántica del futuro.

En el primer hallazgo, científicos de la Universidad de Stuttgart, en colaboración con instituciones del Reino Unido, Japón, Estados Unidos y Canadá, han demostrado experimentalmente una forma de magnetismo previamente desconocida en capas de material de grosor atómico. Los resultados fueron publicados en la prestigiosa revista Nature Nanotechnology.

"A medida que los volúmenes de datos continúan creciendo, los futuros medios de almacenamiento magnético deben poder almacenar información de manera confiable a densidades cada vez más altas", explicó el profesor Jörg Wrachtrup, director del Centro de Tecnologías Cuánticas Aplicadas (ZAQuant) de la Universidad de Stuttgart, según la fuente institucional.

El equipo internacional descubrió un nuevo estado magnético que emerge en un sistema compuesto por cuatro capas atómicas de yoduro de cromo. "Podemos controlar selectivamente este magnetismo ajustando las interacciones entre electrones en las capas individuales", explicó el Dr. Ruoming Peng, investigador postdoctoral del Instituto de Física de la Universidad de Stuttgart, quien realizó los experimentos junto con el doctorando King Cho Wong.

Al girar ligeramente dos bicapas de yoduro de cromo una respecto a la otra, los investigadores crearon un nuevo estado magnético. Este giro da lugar a los llamados "skyrmions", estructuras magnéticas nanoscópicas topológicamente protegidas que se encuentran entre los portadores de información más pequeños y estables conocidos en sistemas magnéticos. Por primera vez, el equipo logró crear y detectar directamente skyrmions en un material magnético bidimensional retorcido.

Para detectar este nuevo estado magnético, cuyos señales son extremadamente débiles, los investigadores emplearon un microscopio altamente especializado basado en técnicas de detección cuántica, utilizando centros de nitrógeno-vacante (NV) en diamante, cuyos principios físicos han sido desarrollados en el Centro de Tecnologías Cuánticas Aplicadas durante las últimas dos décadas.

En un avance paralelo, científicos de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign han logrado observar directamente, por primera vez, un tipo de vibración atómica llamada "fasón" en materiales bidimensionales retorcidos, según informa la segunda fuente.

Utilizando una novedosa técnica de imagen conocida como pticografía electrónica, los investigadores pudieron visualizar fasones en un material bidimensional retorcido llamado diselenuro de tungsteno. Esta técnica proporciona una resolución de menos de 15 picómetros, aproximadamente una milésima del ancho de un átomo individual, permitiendo ver el ancho, la forma y el movimiento de los átomos.

"No se pueden eliminar los fasones; esa es la bendición y la maldición", señaló Pinshane Huang, profesora de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Illinois y autora principal del estudio. "Siempre han estado ocultos a simple vista, cambiando las propiedades de los materiales moiré bidimensionales".

Los fasones habían desconcertado a los científicos durante décadas. Se pensaba que pertenecían solo a modelos teóricos, pero nadie tenía pruebas concretas hasta ahora. Huang se asoció con Yichao Zhang, investigador postdoctoral de conducción de calor a nanoescala, para "congelar" el movimiento atómico creado por el calor y observarlo directamente.

"Nuestro objetivo principal era ver el calor al mirar un átomo", explicó Huang. "Lo que hace esto es obtener una resolución espacial tan fantástica que las vibraciones de los átomos tienen algo que ver con lo borrosos que aparecen los átomos. Estos son movimientos diminutos, y básicamente podemos mirar un átomo a la vez y ver su movimiento relacionado con el calor".

Cuando los investigadores mapearon las regiones helicoidales en el diselenuro de tungsteno retorcido, encontraron más vibraciones en algunas áreas, especialmente alrededor de los solitones (bordes entre diferentes modos de apilamiento) y en regiones con apilamiento AA, donde los átomos se encuentran uno encima del otro.

Integrando la pticografía electrónica con simulaciones de dinámica de red y dinámica molecular, los científicos llegaron a una conclusión robusta: los fasones son los principales responsables de la vibración térmica en bicapas retorcidas de ángulo bajo. Esto indica que el patrón moiré no es solo una ilusión, sino que juega un papel fundamental en determinar cómo atraviesa el calor el material.

Ambos descubrimientos tienen importantes implicaciones para el futuro de la electrónica y la computación. Los materiales bidimensionales retorcidos ya están siendo investigados para su uso en transistores, sensores y hardware de computación cuántica. Añadir el comportamiento térmico y magnético a esa investigación significa que los ingenieros podrían crear dispositivos completos a nivel atómico, que serían más pequeños, rápidos y eficientes que la electrónica actual.

"Una aplicación potencial de esta técnica es crear materiales que sean mejores conductores de calor", dijo Zhang. "Podemos mirar un átomo y encontrar un defecto que impida que el material se enfríe de manera más eficiente".

Los hallazgos sobre los fasones están disponibles en línea en la revista Science, mientras que la investigación sobre el nuevo estado magnético fue publicada en Nature Nanotechnology con el identificador DOI: 10.1038/s41565-025-02103-y.

Estos avances representan no solo un paso adelante en la comprensión fundamental de los materiales bidimensionales, sino también un salto significativo hacia tecnologías de próxima generación que podrían revolucionar el almacenamiento de datos y la computación cuántica.