Magnetiska material utgör grunden för teknik som spelar en allt viktigare roll i våra liv idag, inklusive avkänning och lagring av hårddiskdata. Men som våra innovativa drömmar framkallar önskningar om allt mindre och snabbare enheter, forskare söker nya magnetiska material som är mer kompakta, mer effektiv och kan kontrolleras med exakt, pålitliga metoder.

Ett team som leds av University of Washington och Massachusetts Institute of Technology har för första gången upptäckt magnetism i 2-D-världen med monoskikt, eller material som bildas av ett enda atomskikt. Resultaten, publicerad 8 juni i tidningen Natur , visa att magnetiska egenskaper kan existera även i 2-D-området-vilket öppnar en värld av potentiella applikationer.

"Det vi har upptäckt här är ett isolerat 2-D-material med inneboende magnetism, och magnetismen i systemet är mycket robust, "sa Xiaodong Xu, en UW -professor i fysik och materialvetenskap och teknik, och medlem i UW:s Clean Energy Institute. "Vi föreställer oss att ny informationsteknik kan dyka upp baserat på dessa nya 2-D-magneter."

Xu och MIT-fysikprofessorn Pablo Jarillo-Herrero ledde det internationella teamet av forskare som bevisade att materialet-kromstriiodid, eller CrI3 - har magnetiska egenskaper i sin enskiktsform.

Andra grupper, inklusive medförfattare Michael McGuire vid Oak Ridge National Laboratory, hade tidigare visat att CrI3 - i dess flerskiktade, 3D, bulk kristallform - är ferromagnetisk. I ferromagnetiska material, "snurrar" av elektroner, analog till liten, subatomära magneter, rikta in sig i samma riktning även utan ett externt magnetfält.

Men ingen 3D-magnetisk substans hade tidigare behållit sina magnetiska egenskaper när den tunnades ner till ett enda atomark. Faktiskt, enskiktsmaterial kan visa unika egenskaper som inte ses i deras flerskiktade, 3D-former.

"Du kan helt enkelt inte exakt förutse vad det elektriska, magnetisk, fysikaliska eller kemiska egenskaper hos en 2-D monoskiktskristall kommer att baseras på beteendet hos dess 3D-bulkmotpart, "sa medledande författare och UW-doktorand Bevin Huang.

Atomer i monoskiktsmaterial anses vara "funktionellt" tvådimensionella eftersom elektronerna bara kan färdas inom atomarket, som bitar på en schackbräda.

För att upptäcka egenskaperna för CrI3 i dess 2-D-form, laget använde Scotch -tejp för att raka ett monolager av CrI3 av de större, 3D-kristallform.

"Att använda skotsk tejp för att exfoliera ett monoskikt från dess 3D-bulkkristall är förvånansvärt effektivt, "sa medledande författare och UW-doktorand Genevieve Clark." Detta enkla, lågkostnadsteknik användes först för att erhålla grafen, 2-D-formen av grafit, och har använts framgångsrikt sedan dess med andra material. "

I ferromagnetiska material, de inriktade spinnarna av elektroner lämnar en signalerande signatur när en stråle av polariserat ljus reflekteras från materialets yta. Forskarna upptäckte denna signatur i CrI3 med hjälp av en speciell typ av mikroskopi. Det är det första definitiva tecknet på inneboende ferromagnetism i ett isolerat monoskikt.

Förvånande, i CrI3 -flingor som är två lager tjocka, den optiska signaturen försvann. Detta indikerar att elektronspinnarna är motsatta riktade mot varandra, en term som kallas anti-ferromagnetisk ordning.

Ferromagnetismen återvände i CrI3 i tre lager. Forskarna kommer att behöva genomföra ytterligare studier för att förstå varför CrI3 visade dessa anmärkningsvärda skiktberoende magnetiska faser. Men till Xu, dessa är bara några av de verkligt unika egenskaperna som avslöjas genom att kombinera monoskikt.

"Endast tvådelade monoskikt erbjuder spännande möjligheter att studera den drastiska och exakta elektriska styrningen av magnetiska egenskaper, vilket har varit en utmaning att förverkliga med hjälp av sina 3-D bulk kristaller, "sa Xu." Men en ännu större möjlighet kan uppstå när du staplar monoskikt med olika fysiska egenskaper tillsammans. Där, du kan få ännu mer exotiska fenomen som inte syns i monoskiktet ensam eller i 3D-kristallen i bulk. "

Mycket av Xus forskning handlar om att skapa heterostrukturer, som är staplar av två olika ultratunna material. I gränssnittet mellan de två materialen, hans team söker efter nya fysiska fenomen eller nya funktioner för att möjliggöra potentiella applikationer inom dator- och informationsteknik.

I ett relaterat förskott, Xus forskargrupp, UW elektroteknik och fysik professor Kai-Mei Fu ledde ett team av kollegor publicerade en uppsats 31 maj i Vetenskapliga framsteg visar att en ultratunn form av CrI3, när den staplas med ett monoskikt av volframdiselenid, skapar ett ultraklint "heterostructure" -gränssnitt med unika och oväntade fotoniska och magnetiska egenskaper.

"Heterostrukturer har det största löftet att förverkliga nya applikationer inom datorer, databaslagring, kommunikation och andra applikationer som vi inte ens kan förstå ännu, "sa Xu.

Xu och hans team skulle sedan vilja undersöka de magnetiska egenskaperna som är unika för 2-D-magneter och heterostrukturer som innehåller ett CrI3-monoskikt eller tvåskikt.