(Phys.org)—Wetenschappers hebben een superrooster gemaakt van magneten met één atoom op grafeen met een dichtheid van 115 terabit per vierkante inch, wat suggereert dat de configuratie zou kunnen leiden tot opslagmedia van de volgende generatie.

"Magneten met één atoom vormen de ultieme limiet voor magnetische opslagapparaten met ultrahoge dichtheid, "Stefano Rusponi, een natuurkundige aan de Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) en co-auteur van het nieuwe onderzoek, vertelde Phys.org . "Tot dusver, onderzoekers hebben zich voornamelijk gericht op de magnetische eigenschappen van afzonderlijke atomen en kleine clusters die willekeurig op de ondersteunende oppervlakken zijn verdeeld." [Zie eerdere artikelen hier en hier.]

"In onze nieuwe krant we demonstreren het vermogen om een ​​superrooster van enkele atomen te realiseren met stabiele magnetisatie. Dit is het eerste prototype van een opslagmedium op basis van een enkel atoom per bit."

Zoals de onderzoekers uitlegden, een belangrijke uitdaging bij het gebruik van een reeks atomaire magneten als gegevensopslagapparaat is ervoor te zorgen dat de magneten stabiel zijn en niet met elkaar in wisselwerking staan, aangezien dit tot gegevensverlies kan leiden.

Om deze uitdaging aan te gaan, het onderzoeksteam, onder leiding van professor Harald Brune bij EPFL, profiteerde van de goede magnetische eigenschappen van dysprosiumatomen, samen met de eigenschappen van het grafeen-iridiumsubstraat.

Een deel van de reden voor de zeer stabiele magnetisatie is vanwege de roostermismatch tussen grafeen en iridium, waardoor een periodiek moirépatroon ontstaat. Dit periodieke patroon leidt tot een equidistante rangschikking van de gunstigste dysprosiumadsorptieplaatsen.

Wanneer de dysprosiumatomen bij ongeveer 40 K op het substraat worden afgezet, hun oppervlaktediffusie wordt geactiveerd, waardoor ze op het oppervlak rondspringen. Door deze beweging kunnen ze de meest gunstige adsorptieplaatsen bereiken die worden bepaald door het moirépatroon, zodat ze een zeer geordende reeks vormen, met een gemiddelde afstand tussen atomen van slechts 2,5 nanometer.

Eenmaal gemonteerd, de magnetische stabiliteit van de atomen kan op een aantal manieren worden beïnvloed, onder meer door verstrooiing met elektronen en fononen op het oppervlak, evenals door kwantumtunneling van de magnetische toestanden.

Gelukkig, twee van de gunstige eigenschappen van grafeen zijn de zeer lage elektronen- en fonon-dichtheden, die de dysprosiumatomen beschermt tegen verstrooiing. In aanvulling, de dysprosiumatomen hebben een gunstige magnetische grondtoestand die beschermt tegen kwantumtunneling van de magnetisatie. Beide eigenschappen dragen bij aan de hoge magnetische stabiliteit van het superrooster.

Metingen toonden aan dat het superrooster een zeer grote magnetische hysterese heeft - wat een maat is voor de onomkeerbaarheid van een magneet - die beter presteert dan de beste op dysprosium gebaseerde enkel-ion moleculaire magneten. De onderzoekers leggen uit dat de hoge magnetische stabiliteit afhangt van alle gecombineerde eigenschappen van de atomen en het grafeen-iridiumsubstraat, en dat het ontbreken van slechts één van deze eigenschappen de stabiliteit sterk vermindert.

Een van de huidige nadelen van het ontwerp is dat de magnetische stabiliteit afneemt bij hogere temperaturen. In de toekomst, de onderzoekers zijn van plan om de thermische stabiliteit van het superrooster te verbeteren, mogelijk door grafeen te laten groeien op een isolerend substraat.

"De magnetische stabiliteit van de dysprosiumatomen is beperkt tot temperaturen onder 10 K en is gevoelig voor besmetting, dus ultrahoge vacuümomstandigheden nodig hebben voor onze experimenten, " zei Rusponi. "In de toekomst, we zijn van plan de prestaties van het superrooster met één atoommagneet te verbeteren. Eerst, we zijn van plan de maximale temperatuur waarbij de magnetische stabiliteit overleeft te verhogen door de optimale combinatie van enkele atoomsoorten en ondersteunend substraat te vinden. Tweede, we zijn van plan het superrooster te beschermen met een afdeklaag die de eigenschappen van de magnetische atomen behoudt."