Совершив прорыв, который может открыть новые захватывающие возможности в вычислениях и электронике, ученые из США разработали 2D магнитный материал, который является самым тонким в мире. Толщина магнита составляет всего один атом, и, в отличие от аналогичных материалов, разработанных ранее, он может работать при комнатной температуре, что, среди прочего, может позволить хранить данные с гораздо более высокой плотностью.
Идентификация дву-мерных материалов с магнитными свойствами - это то, чего ученые достигли раньше. В 2017 году появмлось исследование ферромагнитного материала под названием трииодид хрома, который, как выяснили ученые, можно измельчить до монослоя толщиной в один атом, сохраняя при этом их магнетизм.
Ученые из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли и Калифорнийского университета в Беркли работают над устранением одного из недостатков таких ранее разработанных 2D-магнитов, а именно нестабильности при комнатной температуре, из-за которой они теряют свой магнетизм. Пока это ограничивало практичность технологии, но теперь исследователи нашли многообещающий путь вперед.
«Современные 2D магниты для работы нуждаются в очень низких температурах, - объясняет старший автор Цзе Яо. - Но по практическим соображениям центр обработки данных должен работать при комнатной температуре. Наш 2D-магнит - это не только первый магнит, работающий при комнатной температуре или выше, но и первый магнит, достигший истинного 2D-предела: он такой же тонкий, как одиночный атом!».
Иллюстрация, изображающая структуру недавно разработанной 2D магнитной пленки с красными, синими и желтыми сферами, представляющими атомы кобальта, кислорода и цинка. Фото: Berkeley Lab.
Ученые начали со смеси оксида графена, цинка и кобальта, которая была запечена в лаборатории и преобразована в слой оксида цинка с разбрызгиванием атомов кобальта, разбросанных повсюду. Толщина этого слоя составляла всего один атом. Этот слой был зажат между двумя слоями графена, которые затем были выжжены, оставив после себя магнитную 2D-пленку.
В ходе последующих экспериментов команда обнаружила, что магнетизм можно изменить, изменив количество кобальта в материале. Концентрация 5-6% атомов кобальта приводила к относительно слабому магниту, а повышение концентрации до 12% создавало очень сильный магнит. Увеличение его до 15% привело к тому, что ученые называют квантовым состоянием «фрустрации», когда конфликтующие магнитные состояния в материале конкурируют друг с другом.
Важно отметить, что команда обнаружила, что в отличие от более ранних 2D-магнитов, материал сохранял свои магнитные свойства не только при комнатной температуре, но и при температурах до 100°C.
«Наша 2D магнитная система демонстрирует отличный механизм по сравнению с предыдущими 2D магнитами», - говорит автор исследования Руи Чен. «И мы думаем, что этот уникальный механизм связан с наличием свободных электронов в оксиде цинка».
2D магнит команды в миллион раз тоньше листа бумаги, и его можно согнуть практически в любую форму. Одно из многообещающих приложений этой технологии - хранение данных. Устройства памяти, используемые сегодня, основаны на очень тонких магнитных пленках, которые остаются трехмерными и имеют толщину в сотни или тысячи атомов. Более тонкие магниты, особенно магниты толщиной всего в один атом, позволят хранить данные с гораздо большей плотностью.
Этот материал также открывает новые возможности для изучения мира квантовой физики, позволяя наблюдать отдельные магнитные атомы и взаимодействия между ними. Другая возможность касается области спинтроники, где спин электронов, а не их заряд будет использоваться для хранения и обработки данных, а ученые предполагают, что 2D-магнит может стать частью компактного устройства, которое содействовует этим процессы.
«Я считаю, что открытие этого нового, надежного, действительно двумерного магнита при комнатной температуре является настоящим прорывом», - говорит соавтор, Роберт Бирджено.
Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.
Источник: New Atlas / Berkeley Lab
