🔎
Разработка ультратонкого магнита, работающего при комнатной температуре, может привести к появлению новых приложений в вычислительной технике и электронике, таких как компактные устройства спинтронной памяти высокой плотности, а также новых инструментов для изучения квантовой физики.

Ультратонкий магнит работает при комнатной температуре

Ультратонкий магнит, о котором недавно сообщалось в журнале Nature Communications, может сделать большие успехи в области памяти нового поколения, вычислений, спинтроники и квантовой физики. Он был обнаружен учеными Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (Berkeley Lab) и Калифорнийского университета в Беркли.

«Мы первые, кто создал двухмерный магнит при комнатной температуре, который является химически стабильным в условиях окружающей среды», – сказал старший автор Цзе Яо, научный сотрудник отделения материаловедения лаборатории Беркли и доцент кафедры материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Беркли.

«Это открытие является захватывающим, потому что оно не только делает возможным двумерный магнетизм при комнатной температуре, но и раскрывает новый механизм реализации двумерных магнитных материалов», – добавил Руй Чен, аспирант Калифорнийского университета в Беркли из исследовательской группы Яо и ведущий автор исследования. изучение.»

Магнитный компонент современных запоминающих устройств обычно состоит из тонких магнитных пленок. Но на атомном уровне эти магнитные пленки остаются трехмерными – толщиной в сотни или тысячи атомов. На протяжении десятилетий исследователи искали способы сделать 2D-магниты все тоньше и меньше, что позволило бы хранить данные с гораздо более высокой плотностью.

Предыдущие достижения в области 2D-магнитных материалов принесли многообещающие результаты. Но эти первые 2D-магниты теряют свой магнетизм и становятся химически нестабильными при комнатной температуре.

Ультратонкий магнит работает при комнатной температуре

«Современные двумерные магниты для работы нуждаются в очень низких температурах. Но по практическим соображениям центр обработки данных должен работать при комнатной температуре», – сказал Яо. «Теоретически мы знаем, что чем меньше магнит, тем больше потенциальная плотность данных диска. Наш 2D-магнит не только первый, который работает при комнатной температуре или выше, но и первый магнит, который достигает истинного 2D-предела: это тонкий, как атом! "

Исследователи говорят, что их открытие также откроет новые возможности для изучения квантовой физики. «Наш атомарно тонкий магнит предлагает оптимальную платформу для исследования квантового мира», – сказал Яо. «Это открывает каждый атом для исследования, что может показать, как квантовая физика управляет каждым отдельным магнитным атомом и взаимодействиями между ними. С обычным объемным магнитом, где большая часть магнитных атомов глубоко похоронена внутри материала, такие исследования были бы весьма полезными. сложно сделать. "

Создание 2D-магнита, способного выдерживать тепло



Исследователи синтезировали новый двумерный магнит, называемый ван-дер-ваальсовым магнитом на основе оксида цинка, легированного кобальтом, из раствора оксида графена, цинка и кобальта. Всего за несколько часов запекания в обычной лабораторной печи смесь превратилась в один атомный слой оксида цинка с небольшим количеством атомов кобальта, зажатых между слоями графена. На последнем этапе графен выгорает, оставляя после себя только один атомный слой оксида цинка, легированного кобальтом.

«С нашим материалом у промышленности нет серьезных препятствий для внедрения нашего метода, основанного на решениях», – сказал Яо. «Это потенциально масштабируемое для массового производства при меньших затратах».

Чтобы подтвердить, что полученная двумерная пленка имеет толщину всего один атом, Яо и его команда провели эксперименты по сканирующей электронной микроскопии в Молекулярной литейной лаборатории Беркли, чтобы определить морфологию материала, и визуализацию просвечивающей электронной микроскопии, чтобы исследовать материал атом за атомом.

Ультратонкий магнит работает при комнатной температуре

Имея под рукой доказательства того, что их двумерный материал действительно толщиной всего в один атом, исследователи приступили к следующей задаче, которая ставила исследователей в тупик на протяжении многих лет: демонстрация двумерного магнита, который успешно работает при комнатной температуре.

Рентгеновские эксперименты в лаборатории Advanced Light Source лаборатории Беркли позволили определить магнитные параметры 2D-материала при высоких температурах. Дополнительные рентгеновские эксперименты в Стэнфордском источнике синхротронного излучения Национальной ускорительной лаборатории SLAC подтвердили электронную и кристаллическую структуру синтезированных 2D-магнитов. А в Центре наноразмерных материалов Аргоннской национальной лаборатории исследователи изобразили кристаллическую структуру и химический состав 2D-материала с помощью просвечивающей электронной микроскопии.

В целом лабораторные эксперименты исследовательской группы показали, что система графен-оксид цинка становится слабомагнитной с концентрацией атомов кобальта 5-6%. Увеличение концентрации атомов кобальта примерно до 12% приводит к очень сильному магниту.

К удивлению исследователей, концентрация атомов кобальта, превышающая 15%, переводит 2D-магнит в экзотическое квантовое состояние «фрустрации», в результате чего различные магнитные состояния в 2D-системе конкурируют друг с другом.

И в отличие от предыдущих 2D-магнитов, которые теряют свой магнетизм при комнатной температуре или выше, исследователи обнаружили, что новый 2D-магнит работает не только при комнатной температуре, но и при 100 градусах Цельсия (212 градусов по Фаренгейту).

«Наша двумерная магнитная система демонстрирует особый механизм по сравнению с предыдущими двумерными магнитами», – сказал Чен. «И мы думаем, что этот уникальный механизм связан с наличием свободных электронов в оксиде цинка».

Настоящий север: свободные электроны удерживают магнитные атомы в нужном направлении



Когда вы даете компьютеру команду сохранить файл, эта информация сохраняется в виде последовательности единиц и нулей в магнитной памяти компьютера, например на магнитном жестком диске или флэш-памяти. Как и все магниты, устройства магнитной памяти содержат микроскопические магниты с двумя полюсами – северным и южным, ориентация которых соответствует направлению внешнего магнитного поля. Данные записываются или кодируются, когда эти крошечные магниты поворачиваются в желаемом направлении.

По словам Чена, свободные электроны оксида цинка могут действовать как посредник, который гарантирует, что магнитные атомы кобальта в новом 2D-устройстве будут продолжать указывать в том же направлении – и, таким образом, оставаться магнитными – даже когда хозяин, в данном случае полупроводниковый оксид цинка, является немагнитным материалом.

«Свободные электроны являются составной частью электрических токов. Они движутся в одном направлении, проводя электричество», – добавил Яо, сравнивая движение свободных электронов в металлах и полупроводниках с потоком молекул воды в потоке воды.

Исследователи говорят, что новый материал, который можно согнуть практически в любую форму без разрушения и который имеет толщину в 1 миллионную толщины одного листа бумаги, может помочь продвинуть вперед применение спиновой электроники или спинтроники, новой технологии, которая использует ориентация спина электрона, а не его заряда для кодирования данных. «Наш двухмерный магнит может позволить создавать сверхкомпактные устройства спинтроники для конструирования спинов электронов», – сказал Чен.

«Я считаю, что открытие этого нового, надежного, по-настоящему двумерного магнита при комнатной температуре является настоящим прорывом для Цзе Яо и его учеников», – сказал соавтор Роберт Бирджено, старший научный сотрудник отделения материаловедения лаборатории Беркли и профессор физики Калифорнийского университета в Беркли, который был одним из руководителей исследования магнитных измерений. «Помимо своей очевидной значимости для устройств спинтроники, этот двумерный магнит интересен на атомном уровне, впервые показывая, как магнитные атомы кобальта взаимодействуют на« больших »расстояниях» через сложную двумерную сеть, – добавил он.

Ультратонкий магнит работает при комнатной температуре

«Наши результаты даже лучше, чем мы ожидали, и это действительно захватывающе. В большинстве случаев в науке эксперименты могут быть очень сложными», – сказал он. «Но когда ты наконец осознаешь что-то новое, это всегда приносит удовлетворение».

Соавторами статьи являются исследователи из лаборатории Беркли, в том числе Альфа Н'Диай и Падраик Шейфер из Advanced Light Source; Калифорнийский университет в Беркли; Калифорнийский университет в Риверсайд; Аргоннская национальная лаборатория; и Нанкинский университет и Китайский университет электронных наук и технологий.

Advanced Light Source и Molecular Foundry являются национальными пользовательскими объектами DOE в лаборатории Беркли.

Стэнфордский источник синхротронного излучения – это национальный пользовательский объект Министерства энергетики США в Национальной ускорительной лаборатории SLAC.

Центр наноразмерных материалов – это национальный пользовательский центр Министерства энергетики в Аргоннской национальной лаборатории.

Эта работа финансировалась Управлением науки Министерства энергетики США, корпорацией Intel и программой стипендиатов Бакара в Калифорнийском университете в Беркли.

Жуй Чен, Фучуань Ло, Юйцзи Лю, Ю Сун, Юй Донг, Шан Ву, Цзиньхуа Цао, Фуйи Ян, Альфа Н'Диай, Падрайк Шафер, Инь Лю, Шуай Лу, Цзюньвэй Хуанг, Сян Чен, Цзысюань Фанг, Цинцзюнь Ван Дафэй Цзинь, Ран Ченг, Хунтао Юань, Роберт Дж. Бирджено, Цзе Яо. Перестраиваемый ферромагнетизм при комнатной температуре в двумерном ван-дер-ваальсовом ZnO, легированном кобальтом. Nature Communications, 2021 год; 12 (1) DOI: 10.1038 / s41467-021-24247-w

Поделиться…

Все рецепты

Случайные рецепты

* *

Новые сообщения