El desarrollo de un imán ultrafino que funciona a temperatura ambiente podría dar lugar a nuevas aplicaciones en informática y electrónica, como alta densidad, dispositivos de memoria espintrónica compactos y nuevas herramientas para el estudio de la física cuántica.

El imán ultrafino, que se informó recientemente en la revista Comunicaciones de la naturaleza , podría hacer grandes avances en los recuerdos de la próxima generación, informática, espintrónica, y física cuántica. Fue descubierto por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) y UC Berkeley.

"Somos los primeros en fabricar un imán bidimensional a temperatura ambiente que sea químicamente estable en condiciones ambientales, "dijo el autor principal Jie Yao, un científico de la facultad en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en UC Berkeley.

"Este descubrimiento es emocionante porque no solo hace imposible el magnetismo bidimensional a temperatura ambiente, pero también descubre un nuevo mecanismo para realizar materiales magnéticos 2-D, "agregó Rui Chen, un estudiante graduado de UC Berkeley en el Grupo de Investigación de Yao y autor principal del estudio ".

El componente magnético de los dispositivos de memoria actuales suele estar hecho de películas delgadas magnéticas. Pero a nivel atómico, estas películas magnéticas son todavía tridimensionales:cientos o miles de átomos de espesor. Por décadas, Los investigadores han buscado formas de hacer imanes bidimensionales más delgados y pequeños y, por lo tanto, permitir que los datos se almacenen a una densidad mucho mayor.

Los logros anteriores en el campo de los materiales magnéticos bidimensionales han arrojado resultados prometedores. Pero estos primeros imanes 2-D pierden su magnetismo y se vuelven químicamente inestables a temperatura ambiente.

"Los imanes 2D de última generación necesitan temperaturas muy bajas para funcionar. Pero por razones prácticas, un centro de datos debe funcionar a temperatura ambiente, "Dijo Yao." Teóricamente, sabemos que cuanto más pequeño es el imán, cuanto mayor sea la densidad de datos potencial del disco. Nuestro imán 2-D no solo es el primero que funciona a temperatura ambiente o superior, pero también es el primer imán que alcanza el verdadero límite 2-D:¡es tan delgado como un solo átomo! "

Los investigadores dicen que su descubrimiento también permitirá nuevas oportunidades para estudiar la física cuántica. "Nuestro imán atómicamente delgado ofrece una plataforma óptima para sondear el mundo cuántico, "Dijo Yao." Abre cada átomo para su examen, lo que puede revelar cómo la física cuántica gobierna cada átomo magnético y las interacciones entre ellos. Con un imán a granel convencional donde la mayoría de los átomos magnéticos están profundamente enterrados dentro del material, tales estudios serían bastante difíciles de realizar ".

La fabricación de un imán 2-D que puede soportar el calor

Los investigadores sintetizaron el nuevo imán 2-D, llamado imán de óxido de zinc de van der Waals dopado con cobalto, a partir de una solución de óxido de grafeno. zinc, y cobalto. Solo unas pocas horas de cocción en un horno de laboratorio convencional transformaron la mezcla en una sola capa atómica de óxido de zinc con un puñado de átomos de cobalto intercalados entre capas de grafeno. En un paso final, el grafeno se quema, dejando atrás una sola capa atómica de óxido de zinc dopado con cobalto.

"Con nuestro material, no existen obstáculos importantes para que la industria adopte nuestro método basado en soluciones, ", dijo Yao." Es potencialmente escalable para la producción en masa a costos más bajos ".

Para confirmar que la película 2-D resultante tiene solo un átomo de espesor, Yao y su equipo llevaron a cabo experimentos de microscopía electrónica de barrido en la fundición molecular de Berkeley Lab para identificar la morfología del material. y formación de imágenes de microscopía electrónica de transmisión para sondear el material átomo por átomo.

Con la prueba en la mano de que su material 2-D realmente tiene solo un átomo de espesor, los investigadores pasaron al siguiente desafío que había confundido a los investigadores durante años:demostrar un imán 2-D que funciona con éxito a temperatura ambiente.

Los experimentos de rayos X en la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab caracterizaron los parámetros magnéticos del material 2-D a alta temperatura. Experimentos de rayos X adicionales en la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford del Laboratorio Nacional de Aceleración de SLAC verificaron las estructuras electrónicas y cristalinas de los imanes 2-D sintetizados. Y en el Centro de Materiales a Nanoescala del Laboratorio Nacional Argonne, Los investigadores obtuvieron imágenes de la estructura cristalina y la composición química del material 2-D utilizando microscopía electrónica de transmisión.

Como un todo, Los experimentos de laboratorio del equipo de investigación mostraron que el sistema de óxido de zinc-grafeno se vuelve débilmente magnético con una concentración de 5-6% de átomos de cobalto. El aumento de la concentración de átomos de cobalto a aproximadamente el 12% da como resultado un imán muy fuerte.

Para sorpresa de los investigadores, una concentración de átomos de cobalto superior al 15% desplaza el imán bidimensional a un exótico estado cuántico de "frustración, "por lo que diferentes estados magnéticos dentro del sistema 2-D compiten entre sí.

Y a diferencia de los imanes 2D anteriores, que pierden su magnetismo a temperatura ambiente o superior, Los investigadores encontraron que el nuevo imán 2-D no solo funciona a temperatura ambiente sino también a 100 grados Celsius (212 grados Fahrenheit).

"Nuestro sistema magnético 2-D muestra un mecanismo distinto en comparación con los imanes 2-D anteriores, ", dijo Chen." Y creemos que este mecanismo único se debe a los electrones libres en el óxido de zinc ".

Norte verdadero:los electrones libres mantienen los átomos magnéticos en la pista

Cuando le ordena a su computadora que guarde un archivo, esa información se almacena como una serie de unos y ceros en la memoria magnética de la computadora, como el disco duro magnético o una memoria flash. Y como todos los imanes, Los dispositivos de memoria magnética contienen imanes microscópicos con dos polos:norte y sur, cuyas orientaciones siguen la dirección de un campo magnético externo. Los datos se escriben o codifican cuando estos pequeños imanes se giran en las direcciones deseadas.

Según Chen, Los electrones libres del óxido de zinc podrían actuar como intermediarios que aseguran que los átomos magnéticos de cobalto en el nuevo dispositivo 2-D continúen apuntando en la misma dirección, y por lo tanto permanezcan magnéticos, incluso cuando el anfitrión, en este caso el óxido de zinc semiconductor, es un material no magnético.

"Los electrones libres son componentes de las corrientes eléctricas. Se mueven en la misma dirección para conducir la electricidad, "Agregó Yao, comparar el movimiento de electrones libres en metales y semiconductores con el flujo de moléculas de agua en una corriente de agua.

Los investigadores dicen que el nuevo material, que se puede doblar en casi cualquier forma sin romperse, y tiene una millonésima parte del grosor de una sola hoja de papel; podría ayudar a avanzar en la aplicación de la electrónica de espín o la espintrónica, una nueva tecnología que utiliza la orientación del espín de un electrón en lugar de su carga para codificar datos. "Nuestro imán 2-D puede permitir la formación de dispositivos espintrónicos ultracompactos para diseñar los espines de los electrones, "Dijo Chen.

"Creo que el descubrimiento de este nuevo, robusto, Un imán verdaderamente bidimensional a temperatura ambiente es un avance genuino de Jie Yao y sus estudiantes, "dijo el coautor Robert Birgeneau, un científico senior de la facultad en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y profesor de física en UC Berkeley, quien codirigió las mediciones magnéticas del estudio. "Además de su importancia obvia para los dispositivos espintrónicos, este imán 2-D es fascinante a nivel atómico, revelando por primera vez cómo los átomos magnéticos de cobalto interactúan en distancias 'largas' "a través de una compleja red bidimensional, añadió.

"Nuestros resultados son incluso mejores de lo que esperábamos, que es realmente emocionante. La mayor parte del tiempo en ciencia, los experimentos pueden ser muy desafiantes, ", dijo." Pero cuando finalmente te das cuenta de algo nuevo, siempre es muy satisfactorio ".