En ny 2-D magnet trækker fremtidige enheder tættere på

Vi kender alle billedet af elektroner, der zipper rundt om et atomkerne og danner kemiske bindinger i molekyler og materialer. Men hvad der er mindre kendt er, at elektroner har en ekstra unik egenskab:spin. Det er svært at lave en analogi, men man kunne groft beskrive elektronspin som en snurretop, der roterede rundt om sin akse. Men det, der er endnu mere interessant, er, at når spins af elektroner flugter sammen i et materiale, fører dette til det velkendte fænomen magnetisme.

Et af de mest banebrydende områder inden for teknologi er spintronics, en stadig eksperimentel indsats for at designe og bygge enheder-såsom computere og hukommelser-der kører på elektron-spin snarere end blot bevægelse af ladninger (som vi kender som elektrisk strøm). Men sådanne applikationer kræver nye magnetiske materialer med nye egenskaber. For eksempel, det ville være en enorm fordel, hvis der forekommer magnetisme i et ekstremt tyndt lag af materiale-de såkaldte todimensionale (2-D) materialer, der inkluderer grafen, som i bund og grund er et atom-tykt lag af grafit.

Imidlertid, at finde 2-D magnetiske materialer er udfordrende. Chromiodid (CrI ₃ ) afslørede for nylig mange interessante ejendomme, men det nedbrydes hurtigt under omgivelsesbetingelser, og dets isolerende natur lover ikke meget i vejen for spintronics -applikationer, hvoraf de fleste kræver metalliske og luftstabile magnetiske materialer.

Nu, grupperne Andras Kis og Oleg Yazyev på EPFL har fundet en ny metallisk og luftstabil 2-D magnet:platin diselenid (PtSe ₂ ). Opdagelsen blev foretaget af Ahmet Avsar, en postdoc i Kis's laboratorium, som faktisk kiggede på noget helt andet.

For at forklare opdagelsen af ​​magnetisme i PtSe ₂ , forskerne brugte først beregninger baseret på densitetsteori, en metode, der modellerer og studerer strukturen af ​​komplekse systemer med mange elektroner, såsom materialer og nanostrukturer. Den teoretiske analyse viste, at magnetismen af ​​PtSe ₂ er forårsaget af de såkaldte "defekter" på overfladen, som er uregelmæssigheder i arrangementet af atomer. "For mere end et årti siden, vi fandt et noget lignende scenario for defekter i grafen, men PtSe ₂ var en total overraskelse for os, "siger Oleg Yazyev.

Forskerne bekræftede tilstedeværelsen af ​​magnetisme i materialet med en kraftig magneto-resistens-måleteknik. Magnetismen var overraskende, siden perfekt krystallinsk PtSe ₂ formodes at være ikke-magnetisk. "Det er første gang, at defektinduceret magnetisme i denne type 2-D-materialer observeres, "siger Andras Kis." Det udvider sortimentet af 2-D ferromagneter til materialer, som ellers ville blive overset ved massive databaseminingsteknikker. "

Fjernelse eller tilføjelse af et lag PtSe ₂ er nok til at ændre måden, hvorpå spins taler til hinanden på tværs af lag. Og hvad der gør det endnu mere lovende er det faktum, at dets magnetisme, selv inden for samme lag, kan manipuleres yderligere ved strategisk at placere defekter på tværs af dens overflade - en proces kendt som "defekt engineering", der kan udføres ved at bestråle materialets overflade med elektron- eller protonstråler.

"Sådanne ultratynde metalliske magneter kan integreres i den næste generations spin-transfer-moment magnetiske random-access memory (STT MRAM) enheder", siger Ahmet Avsar. "2-D magneter kan reducere den kritiske strøm, der kræves for at ændre magnetisk polaritet, og hjælpe os med yderligere miniaturisering. Det er de store udfordringer, som virksomheder håber at løse. "