Cornell-onderzoekers zijn de eersten geworden die atomair dunne magneten met een elektrisch veld besturen, een doorbraak die een blauwdruk biedt voor het produceren van uitzonderlijk krachtige en efficiënte gegevensopslag in computerchips, onder andere toepassingen.

Het onderzoek wordt gedetailleerd beschreven in de krant, "Elektrisch veldschakelen van tweedimensionale Van der Waals-magneten, " gepubliceerd in Natuurmaterialen door Jie Shan, hoogleraar toegepaste en technische fysica; Kin Fai Mak, assistent-professor natuurkunde; en postdoctoraal wetenschapper Shengwei Jiang.

In 1966, Cornell-natuurkundige David Mermin en zijn postdoc Herbert Wagner theoretiseerden dat 2D-magneten niet zouden kunnen bestaan ​​als de spins van hun elektronen in elke richting zouden kunnen wijzen. Pas in 2017 werden enkele van de eerste 2D-materialen met de juiste uitlijning van spins ontdekt, het openen van de deur naar een geheel nieuwe familie van materialen die bekend staat als 2-D van der Waals-magneten.

Shan en Mak, die gespecialiseerd zijn in het onderzoeken van atomair dunne materialen, maakte van de gelegenheid gebruik om de nieuwe magneten en hun unieke eigenschappen te onderzoeken.

"Als het een bulkmateriaal is, je hebt niet gemakkelijk toegang tot de atomen binnenin, "zei Mak. "Maar als de magneet slechts een monolaag is, je kunt er veel aan doen. Je kunt er een elektrisch veld op toepassen, zet er extra elektronen in, en dat kan de materiaaleigenschappen moduleren."

Met behulp van een monster chroomtrijodide, het onderzoeksteam wilde precies dat doen. Hun doel was om een ​​kleine hoeveelheid spanning toe te passen om een ​​elektrisch veld te creëren en het magnetisme van de 2D-verbinding te beheersen, waardoor ze de mogelijkheid hebben om het aan en uit te zetten.

Om dit te behalen, ze stapelden twee atomaire lagen chroomtrijodide met atomair dunne poortdiëlektrica en elektroden. Dit creëerde een veldeffectapparaat dat de richting van de elektronenspin in de chroomtrijodidelagen kon omdraaien met behulp van kleine poortspanningen, het activeren van de magnetische schakeling. Het proces is omkeerbaar en herhaalbaar bij temperaturen onder 57 graden Kelvin.

De ontdekking is een belangrijke voor de toekomst van de elektronica omdat "de meerderheid van de bestaande technologie gebaseerd is op magnetische schakeling, zoals in geheugenapparaten die gegevens opnemen en opslaan, "zei Shan. Echter, magneten in de meeste moderne elektronica reageren niet op een elektrisch veld. In plaats daarvan, door een spoel gaat een stroom, het creëren van een magnetisch veld dat kan worden gebruikt om de magneet aan en uit te zetten. Het is een inefficiënte methode omdat de stroom warmte creëert en elektrische stroom verbruikt.

Tweedimensionale chroom-trijodide-magneten hebben het unieke voordeel dat een elektrisch veld direct kan worden aangelegd om het schakelen te activeren, en er is weinig energie nodig.

"Het proces is ook erg effectief, want als je een nanometerdikte hebt en je brengt slechts één volt aan, het veld is al 1 volt per nanometer. Dat is groot, " zei Shan.

Het onderzoeksteam is van plan om door te gaan met het verkennen van 2D-magneten en hoopt nieuwe samenwerkingen op de campus te vormen, inclusief met wetenschappers en ingenieurs die hen kunnen helpen nieuwe 2D-magnetische materialen te vinden die, in tegenstelling tot chroomtrijodide, kan werken bij kamertemperatuur.

"In zekere zin wat we hier hebben gedemonstreerd lijkt meer op een apparaatconcept, " zei Mak. "Als we het juiste soort materiaal vinden dat bij een hogere temperatuur kan werken, we kunnen dit idee meteen toepassen op die materialen. Maar het is er nog niet."