Forskere skaber verdens tyndeste magnet

Udviklingen af ​​en ultratynd magnet, der fungerer ved stuetemperatur, kan føre til nye applikationer inden for databehandling og elektronik – såsom høj tæthed, kompakte spintroniske hukommelsesenheder - og nye værktøjer til studiet af kvantefysik.

Den ultratynde magnet, som for nylig blev rapporteret i bladet Naturkommunikation , kunne gøre store fremskridt i næste generations minder, computer, spintronik, og kvantefysik. Det blev opdaget af forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og UC Berkeley.

"Vi er de første til at lave en stuetemperatur 2-D magnet, der er kemisk stabil under omgivende forhold, " sagde seniorforfatter Jie Yao, en fakultetsforsker i Berkeley Labs Materials Sciences Division og lektor i materialevidenskab og teknik ved UC Berkeley.

"Denne opdagelse er spændende, fordi den ikke kun gør 2-D magnetisme mulig ved stuetemperatur, men det afslører også en ny mekanisme til at realisere 2-D magnetiske materialer, " tilføjede Rui Chen, en UC Berkeley kandidatstuderende i Yao Research Group og hovedforfatter på undersøgelsen."

Den magnetiske komponent i nutidens hukommelsesenheder er typisk lavet af magnetiske tynde film. Men på atomniveau, disse magnetiske film er stadig tredimensionelle - hundreder eller tusinder af atomer tykke. I årtier, forskere har søgt efter måder at lave tyndere og mindre 2-D magneter og dermed gøre det muligt at lagre data med en meget højere tæthed.

Tidligere resultater inden for 2-D magnetiske materialer har bragt lovende resultater. Men disse tidlige 2-D magneter mister deres magnetisme og bliver kemisk ustabile ved stuetemperatur.

"State-of-the-art 2-D magneter har brug for meget lave temperaturer for at fungere. Men af ​​praktiske årsager, et datacenter skal køre ved stuetemperatur, " sagde Yao. "Teoretisk set, vi ved, at jo mindre magneten er, jo større er diskens potentielle datatæthed. Vores 2-D magnet er ikke kun den første, der fungerer ved stuetemperatur eller højere, men det er også den første magnet, der når den sande 2D-grænse:Den er så tynd som et enkelt atom!"

Forskerne siger, at deres opdagelse også vil give nye muligheder for at studere kvantefysik. "Vores atomisk tynde magnet tilbyder en optimal platform til at sondere kvanteverdenen, " sagde Yao. "Det åbner hvert enkelt atom for undersøgelse, som kan afsløre, hvordan kvantefysikken styrer hvert enkelt magnetisk atom og interaktionerne mellem dem. Med en konventionel bulkmagnet, hvor de fleste af de magnetiske atomer er dybt begravet inde i materialet, sådanne undersøgelser ville være ret udfordrende at udføre."

Fremstillingen af ​​en 2-D magnet, der kan tage varmen

Forskerne syntetiserede den nye 2-D magnet - kaldet en kobolt-doteret van der Waals zinkoxidmagnet - fra en opløsning af grafenoxid, zink, og kobolt. Blot et par timers bagning i en konventionel laboratorieovn forvandlede blandingen til et enkelt atomlag af zinkoxid med en smule koboltatomer klemt mellem lagene af grafen. I et sidste trin, grafen er brændt væk, efterlader kun et enkelt atomlag af kobolt-doteret zinkoxid.

"Med vores materiale, der er ingen større hindringer for industrien for at anvende vores løsningsbaserede metode, " sagde Yao. "Det er potentielt skalerbart til masseproduktion til lavere omkostninger."

For at bekræfte, at den resulterende 2D-film kun er et atom tyk, Yao og hans team udførte scanningselektronmikroskopi-eksperimenter på Berkeley Labs Molecular Foundry for at identificere materialets morfologi, og transmissionselektronmikroskopi-billeddannelse for at sondere materialet atom for atom.

Med bevis i hånden, at deres 2D-materiale virkelig kun er et atom tykt, forskerne gik videre til den næste udfordring, der havde forvirret forskerne i årevis:At demonstrere en 2D-magnet, der med succes fungerer ved stuetemperatur.

Røntgenforsøg ved Berkeley Labs Advanced Light Source karakteriserede 2-D-materialets magnetiske parametre under høj temperatur. Yderligere røntgeneksperimenter ved SLAC National Accelerator Laboratory's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource bekræftede de elektroniske og krystalstrukturer af de syntetiserede 2-D magneter. Og på Argonne National Laboratory's Center for Nanoscale Materials, forskerne afbildede 2-D-materialets krystalstruktur og kemiske sammensætning ved hjælp af transmissionselektronmikroskopi.

Som en helhed, forskerholdets laboratorieforsøg viste, at grafen-zinkoxid-systemet bliver svagt magnetisk med en koncentration på 5-6 % af koboltatomer. Forøgelse af koncentrationen af ​​koboltatomer til omkring 12% resulterer i en meget stærk magnet.

Til forskernes overraskelse, en koncentration af koboltatomer på mere end 15 % flytter 2D-magneten til en eksotisk kvantetilstand af "frustration, " hvorved forskellige magnetiske tilstande i 2-D-systemet konkurrerer med hinanden.

Og i modsætning til tidligere 2-D magneter, som mister deres magnetisme ved stuetemperatur eller derover, forskerne fandt ud af, at den nye 2-D magnet ikke kun virker ved stuetemperatur, men også ved 100 grader Celsius (212 grader Fahrenheit).

"Vores 2-D magnetiske system viser en særskilt mekanisme sammenlignet med tidligere 2-D magneter, " sagde Chen. "Og vi tror, ​​at denne unikke mekanisme skyldes de frie elektroner i zinkoxid."

True north:Frie elektroner holder magnetiske atomer på sporet

Når du kommanderer din computer til at gemme en fil, at information gemmes som en serie af enere og nuller i computerens magnetiske hukommelse, såsom den magnetiske harddisk eller en flash-hukommelse. Og som alle magneter, magnetiske hukommelsesenheder indeholder mikroskopiske magneter med to poler - nord og syd, hvis orienteringer følger retningen af ​​et eksternt magnetfelt. Data skrives eller kodes, når disse små magneter vendes i de ønskede retninger.

Ifølge Chen, zinkoxids frie elektroner kunne fungere som et mellemled, der sikrer, at de magnetiske koboltatomer i den nye 2-D-enhed fortsætter med at pege i samme retning – og dermed forblive magnetiske – selv når værten, i dette tilfælde halvleder zinkoxid, er et ikke-magnetisk materiale.

"Fri elektroner er bestanddele af elektriske strømme. De bevæger sig i samme retning for at lede elektricitet, "Yao tilføjede, sammenligne bevægelsen af ​​frie elektroner i metaller og halvledere med strømmen af ​​vandmolekyler i en vandstrøm.

Forskerne siger, at nyt materiale - som kan bøjes i næsten enhver form uden at gå i stykker, og er en milliontedel af tykkelsen af ​​et enkelt ark papir – kunne hjælpe med at fremme anvendelsen af ​​spinelektronik eller spintronik, en ny teknologi, der bruger orienteringen af ​​en elektrons spin frem for dens ladning til at kode data. "Vores 2-D magnet kan muliggøre dannelsen af ​​ultrakompakte spintroniske enheder til at konstruere elektronernes spins, " sagde Chen.

"Jeg tror, ​​at opdagelsen af ​​denne nye, robust, virkelig todimensionel magnet ved stuetemperatur er et ægte gennembrud af Jie Yao og hans elever, " sagde medforfatter Robert Birgeneau, en seniorforsker fra fakultetet i Berkeley Labs Materials Sciences Division og professor i fysik ved UC Berkeley, der var med til at lede undersøgelsens magnetiske målinger. "Ud over dens åbenlyse betydning for spintroniske enheder, denne 2-D magnet er fascinerende på atomniveau, afslører for første gang, hvordan koboltmagnetiske atomer interagerer over 'lange' afstande" gennem et komplekst todimensionelt netværk, han tilføjede.

"Vores resultater er endnu bedre, end vi havde forventet, hvilket er rigtig spændende. Det meste af tiden i videnskaben, eksperimenter kan være meget udfordrende, " sagde han. "Men når du endelig indser noget nyt, det er altid meget tilfredsstillende."