De ontwikkeling van een ultradunne magneet die bij kamertemperatuur werkt, zou kunnen leiden tot nieuwe toepassingen in computers en elektronica, zoals high-density, compacte spintronische geheugenapparaten - en nieuwe hulpmiddelen voor de studie van de kwantumfysica.

De ultradunne magneet, die onlangs in het tijdschrift werd gerapporteerd Natuurcommunicatie , grote vooruitgang kunnen boeken in next-gen herinneringen, computergebruik, spintronica, en kwantumfysica. Het werd ontdekt door wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab) en UC Berkeley.

"We zijn de eersten die een 2D-magneet op kamertemperatuur hebben gemaakt die chemisch stabiel is onder omgevingsomstandigheden, " zei senior auteur Jie Yao, een faculteitswetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en universitair hoofddocent materiaalwetenschappen en engineering aan UC Berkeley.

"Deze ontdekking is opwindend omdat het niet alleen 2-D magnetisme mogelijk maakt bij kamertemperatuur, maar het onthult ook een nieuw mechanisme om 2-D magnetische materialen te realiseren, " voegde Rui Chen toe, een UC Berkeley-afgestudeerde student in de Yao Research Group en hoofdauteur van het onderzoek."

De magnetische component van de huidige geheugenapparaten is meestal gemaakt van magnetische dunne films. Maar op atomair niveau deze magnetische films zijn nog steeds driedimensionaal - honderden of duizenden atomen dik. Al decenia, onderzoekers hebben gezocht naar manieren om dunnere en kleinere 2D-magneten te maken, zodat gegevens met een veel hogere dichtheid kunnen worden opgeslagen.

Eerdere prestaties op het gebied van 2-D magnetische materialen hebben veelbelovende resultaten opgeleverd. Maar deze vroege 2D-magneten verliezen hun magnetisme en worden chemisch onstabiel bij kamertemperatuur.

"State-of-the-art 2D-magneten hebben zeer lage temperaturen nodig om te functioneren. Maar om praktische redenen, een datacenter moet op kamertemperatuur draaien, " zei Yao. "Theoretisch, we weten dat hoe kleiner de magneet, hoe groter de potentiële gegevensdichtheid van de schijf. Onze 2D-magneet is niet alleen de eerste die werkt bij kamertemperatuur of hoger, maar het is ook de eerste magneet die de echte 2-D-limiet bereikt:hij is zo dun als een enkel atoom!"

De onderzoekers zeggen dat hun ontdekking ook nieuwe mogelijkheden biedt om kwantumfysica te bestuderen. "Onze atomair dunne magneet biedt een optimaal platform voor het onderzoeken van de kwantumwereld, " zei Yao. "Het opent elk atoom voor onderzoek, die kan onthullen hoe de kwantumfysica elk afzonderlijk magnetisch atoom en de interacties daartussen regelt. Met een conventionele bulkmagneet waar de meeste magnetische atomen diep in het materiaal zijn begraven, dergelijke studies zouden een hele uitdaging zijn om te doen."

Het maken van een 2D-magneet die tegen de hitte kan

De onderzoekers synthetiseerden de nieuwe 2D-magneet - een met kobalt gedoteerde Van der Waals-zinkoxidemagneet - uit een oplossing van grafeenoxide, zink, en kobalt. Slechts een paar uur bakken in een conventionele laboratoriumoven veranderde het mengsel in een enkele atomaire laag zinkoxide met een paar kobaltatomen ingeklemd tussen lagen grafeen. In een laatste stap, grafeen wordt weggebrand, met achterlating van slechts een enkele atomaire laag van met kobalt gedoteerd zinkoxide.

"Met ons materiaal er zijn geen grote obstakels voor de industrie om onze oplossingsgerichte methode toe te passen, "zei Yao. "Het is potentieel schaalbaar voor massaproductie tegen lagere kosten."

Om te bevestigen dat de resulterende 2D-film slechts één atoom dik is, Yao en zijn team voerden scanning-elektronenmicroscopie-experimenten uit in de Molecular Foundry van Berkeley Lab om de morfologie van het materiaal te identificeren, en transmissie-elektronenmicroscopiebeeldvorming om het materiële atoom voor atoom te onderzoeken.

Met het bewijs in de hand dat hun 2D-materiaal echt maar een atoom dik is, de onderzoekers gingen verder met de volgende uitdaging die onderzoekers jarenlang in verwarring had gebracht:het demonstreren van een 2D-magneet die met succes werkt bij kamertemperatuur.

Röntgenexperimenten in de geavanceerde lichtbron van Berkeley Lab karakteriseerden de magnetische parameters van het 2D-materiaal onder hoge temperatuur. Aanvullende röntgenexperimenten bij de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource van het SLAC National Accelerator Laboratory verifieerden de elektronische en kristalstructuren van de gesynthetiseerde 2D-magneten. En bij het Argonne National Laboratory's Center for Nanoscale Materials, de onderzoekers brachten de kristalstructuur en chemische samenstelling van het 2D-materiaal in beeld met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie.

Als geheel, de laboratoriumexperimenten van het onderzoeksteam toonden aan dat het grafeen-zink-oxidesysteem zwak magnetisch wordt met een concentratie van 5-6% kobaltatomen. Het verhogen van de concentratie van kobaltatomen tot ongeveer 12% resulteert in een zeer sterke magneet.

Tot verbazing van de onderzoekers een concentratie van kobaltatomen van meer dan 15% verschuift de 2-D magneet in een exotische kwantumtoestand van "frustratie, " waarbij verschillende magnetische toestanden binnen het 2D-systeem met elkaar in concurrentie zijn.

En in tegenstelling tot eerdere 2D-magneten, die hun magnetisme verliezen bij kamertemperatuur of hoger, de onderzoekers ontdekten dat de nieuwe 2D-magneet niet alleen bij kamertemperatuur werkt, maar ook bij 100 graden Celsius (212 graden Fahrenheit).

"Ons 2D-magneetsysteem vertoont een duidelijk mechanisme in vergelijking met eerdere 2-D-magneten, "zei Chen. "En we denken dat dit unieke mechanisme te wijten is aan de vrije elektronen in zinkoxide."

Ware noorden:vrije elektronen houden magnetische atomen op het goede spoor

Wanneer u uw computer opdracht geeft een bestand op te slaan, die informatie wordt opgeslagen als een reeks enen en nullen in het magnetische geheugen van de computer, zoals de magnetische harde schijf of een flashgeheugen. En zoals alle magneten, magnetische geheugenapparaten bevatten microscopisch kleine magneten met twee polen:noord en zuid, waarvan de oriëntaties de richting van een extern magnetisch veld volgen. Gegevens worden geschreven of gecodeerd wanneer deze kleine magneten in de gewenste richting worden gedraaid.

Volgens Chen, De vrije elektronen van zinkoxide kunnen fungeren als een tussenpersoon die ervoor zorgt dat de magnetische kobaltatomen in het nieuwe 2D-apparaat in dezelfde richting blijven wijzen - en dus magnetisch blijven - zelfs wanneer de gastheer, in dit geval de halfgeleider zinkoxide, is een niet-magnetisch materiaal.

"Vrije elektronen zijn bestanddelen van elektrische stromen. Ze bewegen in dezelfde richting om elektriciteit te geleiden, "Jao voegde eraan toe, het vergelijken van de beweging van vrije elektronen in metalen en halfgeleiders met de stroom van watermoleculen in een stroom water.

De onderzoekers zeggen dat nieuw materiaal - dat in bijna elke vorm kan worden gebogen zonder te breken, en is 1 miljoenste van de dikte van een enkel vel papier - zou de toepassing van spin-elektronica of spintronica kunnen helpen bevorderen, een nieuwe technologie die de oriëntatie van de spin van een elektron gebruikt in plaats van de lading om gegevens te coderen. "Onze 2D-magneet kan de vorming van ultracompacte spintronische apparaten mogelijk maken om de spins van de elektronen te ontwerpen, ' zei Chen.

"Ik geloof dat de ontdekking van deze nieuwe, robuust, echt tweedimensionale magneet bij kamertemperatuur is een echte doorbraak van Jie Yao en zijn studenten, " zei co-auteur Robert Birgeneau, een facultaire senior wetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en professor in de natuurkunde aan UC Berkeley die mede leiding gaf aan de magnetische metingen van de studie. "Naast zijn duidelijke betekenis voor spintronische apparaten, deze 2D-magneet is fascinerend op atomair niveau, voor het eerst onthullen hoe magnetische kobalt-atomen op 'lange' afstanden interageren via een complex tweedimensionaal netwerk, hij voegde toe.

"Onze resultaten zijn zelfs beter dan we hadden verwacht, wat echt spannend is. Meestal in de wetenschap, experimenten kunnen erg uitdagend zijn, "zei hij. "Maar als je eindelijk iets nieuws realiseert, het geeft altijd veel voldoening."