Tweedimensionale magnetische materialen worden geprezen als bouwstenen voor de volgende generatie kleine, snelle elektronische apparaten. Deze materialen, gemaakt van lagen kristallijne platen van slechts enkele atomen dik, krijgen hun unieke magnetische eigenschappen van de intrinsieke kompasnaaldachtige spins van hun elektronen. De dunheid van de platen op atomaire schaal betekent dat deze spins op de fijnste schalen kunnen worden gemanipuleerd met behulp van externe elektrische velden, wat mogelijk kan leiden tot nieuwe energiezuinige gegevensopslag- en informatieverwerkingssystemen. Maar precies weten hoe 2D-materialen moeten worden ontworpen met specifieke magnetische eigenschappen die precies kunnen worden gemanipuleerd, blijft een barrière voor hun toepassing.

Nu, zoals gerapporteerd in het tijdschrift Science Advances , hebben onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), UC Berkeley, Cornell en Rutgers University gelaagde 2D-materialen ontdekt die unieke magnetische kenmerken kunnen bevatten die stabiel blijven bij kamertemperatuur en dus uiteindelijk kunnen worden gebruikt in toekomstige alledaagse apparaten. Afbeeldingen op atoomschaal van het materiaal onthullen de precieze chemische en structurele kenmerken die verantwoordelijk zijn voor deze kenmerken en hun stabiliteit.

Onderzoekers van Berkeley Lab hebben een staat van dienst in het identificeren van onverwachte magnetische eigenschappen in atomair dunne lagen bulkkristallen, waarvan vele gebaseerd zijn op halfgeleidermaterialen die zijn gedoteerd met metaalatomen. Tyler Reichanadter, een afgestudeerde student van UC Berkeley, een co-auteur van het onderzoek, berekende hoe de elektronische structuur van gewone 2D-materialen zou kunnen veranderen door verschillende atomen uit te wisselen, in dit geval een deel van het ijzer voor kobalt. Deze specifieke uitwisseling resulteert in een kristalstructuur die niet op zijn spiegelbeeld kan worden gelegd, en leidt tot de mogelijkheid van exotische, vortex-achtige spin-arrangementen, skyrmions genaamd, die worden onderzocht als bouwstenen voor toekomstige low-power computing.

Studie co-auteurs Hongrui Zhang, een postdoctoraal onderzoeker aan UC Berkeley, en Xiang Chen, een postdoctoraal onderzoeker aan Berkeley Lab en UC Berkeley, gebruikten faciliteiten voor kristalgroei om enkele van de meest veelbelovende 2D-materialen te onderzoeken, waaronder met kobalt gedoteerd ijzergermaniumtelluride ( Fe₅ GeTe₂ ) in de vorm van nanovlokken. Fe₅ GeTe₂ is een typisch 2D magnetisch materiaal vanwege zijn unieke gelaagde structuur en kristalsymmetrie, waarbij ijzeratomen specifieke punten in de kristalstructuur innemen. Ze ontdekten dat door precies de helft van de ijzeratomen te vervangen door kobaltatomen - waarvan de enigszins andere elektronische configuratie betekende dat de atomen van nature enigszins verschillende punten in het kristal bezetten - ze spontaan de natuurlijke kristalsymmetrie van het materiaal konden breken, wat op zijn beurt de spinstructuur veranderde.

"Het is niet gemakkelijk om te doen. Het duurt dagen of maanden om deze structuren te synthetiseren en we hebben honderden kristallen doorgenomen", zegt Chen, een expert in de synthese van dergelijke complexe materialen.

Co-auteurs Sandhya Susarla, een postdoctoraal onderzoeker van Berkeley Lab, en Yu-tsun Shao, een postdoctoraal onderzoeker bij Cornell, bevestigden de structuur op atomaire schaal en de elektronische structuur van de complexe materialen met behulp van elektronenmicroscopiemogelijkheden in het National Center for Electron Microscopy aan de Moleculaire gieterij.

"Dit is pure ontdekkingswetenschap en volledig onverwacht", zegt Ramamoorthy Ramesh, een senior faculteitswetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en de senior corresponderende auteur van het artikel. "Het team probeerde de elektronische structuur te manipuleren en ontdekte dat door de symmetrie te doorbreken, het materiaal skyrmions kon herbergen."

Zhang gebruikte magnetische krachtmicroscopie om de skyrmionen over grote gebieden van dergelijke kristallen in beeld te brengen. Door de evolutie van de skyrmionen als functie van temperatuur en magnetisch veld te volgen, stelden de onderzoekers de fysieke omstandigheden vast die tot hun stabiliteit leidden. Verder ontdekten de onderzoekers, door een elektrische stroom door het materiaal te leiden, dat ze ervoor konden zorgen dat de skyrmionen in het materiaal verschuiven, onafhankelijk van de atomen die in de eerste plaats tot hun vorming leidden.

Ten slotte voerde David Raftrey, een Berkeley Lab en UC Santa Cruz afgestudeerde student-onderzoeker, micromagnetische simulaties uit om de waargenomen elektronische patronen in die materialen te interpreteren.

Omdat de gelaagde materialen kunnen worden gemaakt met een breed scala aan diktes bij kamertemperatuur en hoger, denken de onderzoekers dat hun magnetische eigenschappen kunnen worden verbeterd en uitgebreid. "We zijn geïnteresseerd in micro-elektronica, maar fundamentele vragen over de fysica van materialen inspireren ons echt", zegt Zhang. + Verder verkennen

De revolutie in de spintronica-technologie kan slechts een sprong verwijderd zijn