Cornellforskare har blivit de första som kontrollerar atomtunna magneter med ett elektriskt fält, ett genombrott som ger en plan för att producera exceptionellt kraftfull och effektiv datalagring i datorchips, bland andra applikationer.

Forskningen är detaljerad i tidningen, "Elektrisk fältväxling av tvådimensionella van der Waals-magneter, "publicerad i Naturmaterial av Jie Shan, professor i tillämpad och teknisk fysik; Kin Fai Mak, biträdande professor i fysik; och postdoktor Shengwei Jiang.

År 1966, Cornellfysikern David Mermin och hans postdoc Herbert Wagner teoretiserade att 2-D-magneter inte kunde existera om deras elektroners snurr kunde peka åt något håll. Det var inte förrän 2017 som några av de första 2-D-materialen med rätt inriktning av snurr upptäcktes, öppnar dörren till en helt ny familj av material som kallas 2-D van der Waals magneter.

Shan och Mak, som är specialiserade på att forska om atomtunna material, hoppade på möjligheten att undersöka de nya magneterna och deras unika egenskaper.

"Om det är ett bulkmaterial, du kan inte enkelt komma åt atomerna inuti, " sa Mak. "Men om magneten bara är ett monolager, du kan göra mycket åt det. Du kan applicera ett elektriskt fält på det, sätt in extra elektroner i den, och det kan modulera materialegenskaperna. "

Med hjälp av ett prov av kromtrijodid, forskargruppen bestämde sig för att göra just det. Deras mål var att applicera en liten mängd spänning för att skapa ett elektriskt fält och styra 2-D-föreningens magnetism, vilket ger dem möjlighet att slå på och av den.

För att uppnå detta, de staplade två atomlager av kromstriiodid med atomiskt tunna gate -dielektrikar och elektroder. Detta skapade en fälteffektanordning som kunde vända elektronspinriktningen i kromtrijodidskikten med hjälp av små grindspänningar, aktiverar den magnetiska omkopplingen. Processen är reversibel och repeterbar vid temperaturer under 57 grader Kelvin.

Upptäckten är viktig för elektronikens framtid eftersom "majoriteten av befintlig teknik är baserad på magnetisk omkoppling, som i minnesenheter som registrerar och lagrar data, "sade Shan. Men magneter i de flesta moderna elektronik svarar inte på ett elektriskt fält. Istället, en ström passerar genom en spole, skapa ett magnetfält som kan användas för att slå på och av magneten. Det är en ineffektiv metod eftersom strömmen skapar värme och förbrukar elektrisk kraft.

Tvådimensionella krom-triiodidmagneter har en unik fördel genom att ett elektriskt fält kan appliceras direkt för att aktivera omkopplingen, och mycket lite energi krävs.

"Processen är också mycket effektiv eftersom om du har en nanometertjocklek och du applicerar bara en volt, fältet är redan 1 volt per nanometer. Det är stort, sa Shan.

Forskargruppen planerar att fortsätta utforska 2D-magneter och hoppas kunna bilda nya samarbeten runt campus, inklusive med forskare och ingenjörer som kan hjälpa dem att hitta nya 2-D magnetiska material som, till skillnad från kromstriiodid, kan arbeta i rumstemperatur.

"På sätt och vis, vad vi har visat här är mer som ett enhetskoncept, "sa Mak." När vi hittar rätt typ av material som kan fungera vid en högre temperatur, vi kan omedelbart tillämpa denna idé på dessa material. Men den är inte där än. "