(Phys.org) – Forskare har tillverkat ett supergitter av enatomsmagneter på grafen med en densitet på 115 terabit per kvadrattum, vilket tyder på att konfigurationen kan leda till nästa generations lagringsmedia.

"Enatomsmagneter representerar den ultimata gränsen för magnetiska lagringsenheter med ultrahög densitet, "Stefano Rusponi, en fysiker vid Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) och medförfattare till den nya forskningen, berättade Phys.org . "Än så länge, forskare har huvudsakligen fokuserat på de magnetiska egenskaperna hos enskilda atomer och små kluster slumpmässigt fördelade på stödytorna." [Se tidigare artiklar här och här.]

"I vår nya tidning, vi visar förmågan att realisera ett supergitter av enstaka atomer med stabil magnetisering. Detta representerar den första prototypen av ett lagringsmedium baserat på en enda atom per bit."

Som forskarna förklarade, en viktig utmaning med att använda en rad atommagneter som en datalagringsenhet är att säkerställa att magneterna är stabila och inte interagerar med varandra, eftersom detta kan leda till dataförlust.

För att möta denna utmaning, forskargruppen, ledd av professor Harald Brune vid EPFL, utnyttjade de goda magnetiska egenskaperna hos dysprosiumatomer, tillsammans med egenskaperna hos grafen-iridiumsubstratet.

En del av anledningen till den mycket stabila magnetiseringen är på grund av gallrets oöverensstämmelse mellan grafen och iridium, vilket skapar ett periodiskt moirémönster. Detta periodiska mönster leder till ett arrangemang på samma avstånd av de mest gynnsamma dysprosiumadsorptionsställena.

När dysprosiumatomerna avsätts på substratet vid cirka 40 K, deras ytdiffusion aktiveras, vilket får dem att hoppa runt på ytan. Denna rörelse tillåter dem att nå de mest gynnsamma adsorptionsställena som bestäms av moirémönstret, så att de bildar en högordnad array, med ett medelavstånd mellan atomerna på bara 2,5 nanometer.

När det väl är monterat, atomernas magnetiska stabilitet kan påverkas på några sätt, inklusive genom spridning med elektroner och fononer på ytan, såväl som genom kvanttunnelering av de magnetiska tillstånden.

Lyckligtvis, två av de fördelaktiga egenskaperna hos grafen är dess mycket låga elektron- och fonondensitet, som skyddar dysprosiumatomerna mot spridning. Dessutom, dysprosiumatomerna har ett gynnsamt magnetiskt grundtillstånd som skyddar mot kvanttunnelering av magnetiseringen. Båda egenskaperna bidrar till supergittrets höga magnetiska stabilitet.

Mätningar visade att supergittret har en mycket stor magnetisk hysteres - vilket är ett mått på en magnets irreversibilitet - som överträffar de bästa dysprosiumbaserade enjonsmolekylära magneterna. Forskarna förklarar att den höga magnetiska stabiliteten beror på alla de kombinerade egenskaperna hos atomerna och grafen-iridiumsubstratet, och att bara en av dessa egenskaper saknas minskar stabiliteten avsevärt.

En av de nuvarande nackdelarna med designen är att den magnetiska stabiliteten minskar vid högre temperaturer. I framtiden, forskarna planerar att förbättra supergittrets termiska stabilitet, möjligen genom att odla grafen på ett isolerande substrat.

"Dysprosiumatomernas magnetiska stabilitet är begränsad till temperaturer under 10 K och är känslig för kontaminering, vilket kräver ultrahöga vakuumförhållanden för våra experiment, " sa Rusponi. "I framtiden, vi planerar att förbättra prestandan för supergittret med en atoms magnet. Först, vi avser att öka den maximala temperaturen vid vilken den magnetiska stabiliteten överlever genom att hitta den optimala kombinationen av enstaka atomarter och stödjande substrat. Andra, vi avser att skydda supergittret med ett täckskikt som bevarar egenskaperna hos de magnetiska atomerna."