Utvecklingen av en ultratunn magnet som fungerar vid rumstemperatur kan leda till nya tillämpningar inom datorer och elektronik – som högdensitet, kompakta spintroniska minnesenheter – och nya verktyg för studier av kvantfysik.

Den ultratunna magneten, som nyligen rapporterades i tidskriften Naturkommunikation , kan göra stora framsteg i nästa generations minnen, datoranvändning, spintronik, och kvantfysik. Det upptäcktes av forskare vid Department of Energys Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och UC Berkeley.

"Vi är först med att tillverka en rumstemperatur 2D-magnet som är kemiskt stabil under omgivande förhållanden, " sa senior författare Jie Yao, en fakultetsforskare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och docent i materialvetenskap och teknik vid UC Berkeley.

"Denna upptäckt är spännande eftersom den inte bara gör 2D-magnetism möjlig vid rumstemperatur, men det avslöjar också en ny mekanism för att realisera 2-D magnetiska material, " tillade Rui Chen, en doktorand vid UC Berkeley i Yao Research Group och huvudförfattare till studien."

Den magnetiska komponenten i dagens minnesenheter är vanligtvis gjord av magnetiska tunna filmer. Men på atomnivå, dessa magnetiska filmer är fortfarande tredimensionella - hundratals eller tusentals atomer tjocka. I årtionden, forskare har sökt efter sätt att göra tunnare och mindre 2D-magneter och på så sätt möjliggöra att data lagras med en mycket högre densitet.

Tidigare framgångar inom området 2-D magnetiska material har gett lovande resultat. Men dessa tidiga 2D-magneter förlorar sin magnetism och blir kemiskt instabila vid rumstemperatur.

"State-of-the-art 2D-magneter behöver mycket låga temperaturer för att fungera. Men av praktiska skäl, ett datacenter måste köras i rumstemperatur, " sa Yao. "Teoretiskt sett, vi vet att ju mindre magneten är, desto större är skivans potentiella datatäthet. Vår 2D-magnet är inte bara den första som fungerar vid rumstemperatur eller högre, men det är också den första magneten som når den sanna 2D-gränsen:Den är tunn som en enda atom!"

Forskarna säger att deras upptäckt också kommer att möjliggöra nya möjligheter att studera kvantfysik. "Vår atomärt tunna magnet erbjuder en optimal plattform för att undersöka kvantvärlden, " sa Yao. "Det öppnar upp varje enskild atom för undersökning, som kan avslöja hur kvantfysiken styr varje enskild magnetisk atom och interaktionerna mellan dem. Med en konventionell bulkmagnet där de flesta av de magnetiska atomerna är djupt begravda inuti materialet, sådana studier skulle vara ganska utmanande att göra."

Tillverkningen av en 2D-magnet som kan ta värmen

Forskarna syntetiserade den nya 2D-magneten - kallad en koboltdopad van der Waals zinkoxidmagnet - från en lösning av grafenoxid, zink, och kobolt. Bara några timmars bakning i en konventionell laboratorieugn förvandlade blandningen till ett enda atomlager av zinkoxid med en bit koboltatomer inklämda mellan lager av grafen. I ett sista steg, grafen bränns bort, lämnar efter sig bara ett enda atomlager av koboltdopad zinkoxid.

"Med vårt material, det finns inga större hinder för industrin att ta till sig vår lösningsbaserade metod, ", sa Yao. "Det är potentiellt skalbart för massproduktion till lägre kostnader."

För att bekräfta att den resulterande 2D-filmen bara är en atom tjock, Yao och hans team genomförde svepelektronmikroskopiexperiment vid Berkeley Labs Molecular Foundry för att identifiera materialets morfologi, och transmissionselektronmikroskopi för att undersöka materialet atom för atom.

Med bevis i handen att deras 2D-material verkligen bara är en atomtjock, forskarna gick vidare till nästa utmaning som hade förvirrat forskarna i flera år:att demonstrera en 2D-magnet som framgångsrikt fungerar i rumstemperatur.

Röntgenexperiment vid Berkeley Labs avancerade ljuskälla karakteriserade 2D-materialets magnetiska parametrar under hög temperatur. Ytterligare röntgenexperiment vid SLAC National Accelerator Laboratorys Stanford Synchrotron Radiation Lightsource verifierade de elektroniska och kristallstrukturerna hos de syntetiserade 2D-magneterna. Och på Argonne National Laboratory's Center for Nanoscale Materials, forskarna avbildade 2D-materialets kristallstruktur och kemiska sammansättning med hjälp av transmissionselektronmikroskopi.

Som helhet, forskargruppens laboratorieexperiment visade att grafen-zinkoxid-systemet blir svagt magnetiskt med en koncentration av 5-6% koboltatomer. Att öka koncentrationen av koboltatomer till cirka 12% resulterar i en mycket stark magnet.

Till forskarnas förvåning, en koncentration av koboltatomer som överstiger 15 % förskjuter 2D-magneten till ett exotiskt kvanttillstånd av "frustration, " varvid olika magnetiska tillstånd inom 2-D-systemet konkurrerar med varandra.

Och till skillnad från tidigare 2D-magneter, som förlorar sin magnetism vid rumstemperatur eller högre, forskarna fann att den nya 2D-magneten inte bara fungerar vid rumstemperatur utan också vid 100 grader Celsius (212 grader Fahrenheit).

"Vårt 2-D magnetsystem visar en distinkt mekanism jämfört med tidigare 2-D magneter, ", sa Chen. "Och vi tror att denna unika mekanism beror på de fria elektronerna i zinkoxid."

Sanna norden:Fria elektroner håller magnetiska atomer på rätt spår

När du beordrar din dator att spara en fil, att information lagras som en serie av ettor och nollor i datorns magnetiska minne, till exempel den magnetiska hårddisken eller ett flashminne. Och som alla magneter, magnetiska minnesenheter innehåller mikroskopiska magneter med två poler - norr och söder, vars orientering följer ett externt magnetfälts riktning. Data skrivs eller kodas när dessa små magneter vänds i önskad riktning.

Enligt Chen, zinkoxidens fria elektroner kan fungera som en mellanhand som säkerställer att de magnetiska koboltatomerna i den nya 2D-enheten fortsätter att peka i samma riktning – och därmed förbli magnetiska – även när värden, i detta fall halvledarzinkoxiden, är ett icke-magnetiskt material.

"Fria elektroner är beståndsdelar i elektriska strömmar. De rör sig i samma riktning för att leda elektricitet, "Yao tillade, jämföra rörelsen av fria elektroner i metaller och halvledare med flödet av vattenmolekyler i en vattenström.

Forskarna säger att nytt material - som kan böjas till nästan vilken form som helst utan att gå sönder, och är en miljondel av tjockleken på ett enda pappersark — kan hjälpa till att främja tillämpningen av spinnelektronik eller spintronik, en ny teknik som använder orienteringen av en elektrons spin snarare än dess laddning för att koda data. "Vår 2D-magnet kan möjliggöra bildandet av ultrakompakta spintroniska enheter för att konstruera elektronernas spinn, " sa Chen.

"Jag tror att upptäckten av denna nya, robust, verkligt tvådimensionell magnet vid rumstemperatur är ett genuint genombrott av Jie Yao och hans elever, " sa medförfattaren Robert Birgeneau, en senior forskare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och professor i fysik vid UC Berkeley som var med och ledde studiens magnetiska mätningar. "Förutom dess uppenbara betydelse för spintroniska enheter, denna 2D-magnet är fascinerande på atomnivå, avslöjar för första gången hur koboltmagnetiska atomer interagerar över "långa" avstånd" genom ett komplext tvådimensionellt nätverk, han lade till.

"Våra resultat är ännu bättre än vad vi förväntade oss, vilket är riktigt spännande. För det mesta inom vetenskapen, experiment kan vara mycket utmanande, " sa han. "Men när du äntligen inser något nytt, det är alltid väldigt tillfredsställande."