Najcieńszy magnes na świecie ma grubość jednego atomu

Naukowcy stworzyli najcieńszy magnes na świecie

Nadchodzi przełom w fizyce, który może dotknąć nas wszystkich. Amerykańscy naukowcy stworzyli najcieńszy magnes na świecie, który może całkowicie odmienić współczesną elektronikę i przyszłe komputery osobiste.

Naukowcy z Lawrence Berkeley National Laboratory, multidyscyplinarnego laboratorium naukowego Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, stworzyli ultracienki magnes, który działa w temperaturze pokojowej. Odkrycie opisane w Nature Communications może przyczynić się do opracowania pamięci nowej generacji.

Jesteśmy pierwszymi, którzy stworzyli magnes 2D w temperaturze pokojowej, który jest chemicznie stabilny w warunkach otoczenia.

prof. Jie Yao z Berkeley Lab’s Materials Sciences Division

Koniec poszukiwań magnesów 2D?

Magnetyczne komponenty współczesnych pamięci mają zazwyczaj postać cienkich płatków, choć na poziomie atomowym są nadal ułożone w sieć 3D. Przez dekady naukowcy poszukiwali sposobów wytwarzania jeszcze cieńszych i mniejszych magnesów dwuwymiarowych, które umożliwiłyby większe upakowanie danych. Do tej pory opracowane magnesy 2D traciły swoje właściwości w temperaturze pokojowej.

Najnowocześniejsze magnesy 2D potrzebują niskich temperatur, aby funkcjonować. Jednak ze względów praktycznych, centrum danych musi działać w temperaturze pokojowej. Teoretycznie wiemy, że im mniejszy magnes, tym większa potencjalna gęstość danych na dysku. Nasz magnes 2D jest nie tylko pierwszym, który działa w temperaturze pokojowej lub wyższej, ale jest również pierwszym magnesem, który osiągnął prawdziwą granicę 2D – jest tak cienki, jak pojedynczy atom!

prof. Jie Yao

To odkrycie może pozwolić na przeprowadzanie bardziej zaawansowanych eksperymentów z dziedziny fizyki kwantowej.

Nasz magnes o grubości pojedynczego atomu oferuje optymalną platformę do sondowania świata kwantowego. Otwiera on każdy pojedynczy atom do badania, co może ujawnić, jak fizyka kwantowa rządzi każdym pojedynczym atomem magnetycznym i interakcjami między nimi. W przypadku konwencjonalnych magnesów 3D, gdzie większość atomów o właściwościach magnetycznych jest głęboko zakopana wewnątrz materiału, takie badania byłyby dość trudne do przeprowadzenia.

prof. Jie Yao

Jak stworzono ten magnes?

Nowy dwuwymiarowy magnes – zwany magnesem z tlenku cynku z domieszką kobaltu van der Waalsa – powstał z roztworu tlenku grafenu, cynku i kobaltu. Wystarczyło kilka godzin podgrzewania mieszaniny, by stworzyć pojedynczą warstwę atomową tlenku cynku z domieszką atomów kobaltu umieszczoną pomiędzy warstwami grafenu. W ostatnim etapie grafen jest wypalany, pozostawiając za sobą tylko pojedynczą warstwę atomową tlenku cynku z domieszką kobaltu.

Ilustracja sprzężenia magnetycznego w monowarstwie tlenku cynku z domieszką kobaltu. Czerwone, niebieskie i żółte kule to wizualizacja atomów kobaltu, tlenu i cynku /Fot. UC Berkeley

Zespół prof. Yao potwierdził za pomocą pomiarów z wykorzystaniem skaningowych i transmisyjnych mikroskopów elektronowych, że otrzymana przez nich folia 2D ma grubość zaledwie jednego atomu. Potwierdzono także właściwości magnetyczne otrzymanego materiału.

Wykazano także, że układ grafen-cynk-tlenek zyskuje słabe właściwości magnetyczne już przy 5-6% koncentracji atomów kobaltu. Zwiększenie stężenia atomów kobaltu do około 12% skutkuje powstaniem bardzo silnego magnesu. Stężenie atomów kobaltu przekraczające 15% przenosi magnes 2D w egzotyczny stan kwantowej „frustracji”, w którym różne stany magnetyczne w układzie 2D konkurują ze sobą.

Nadchodzą nowe pamięci komputerów

Kiedy chcemy zapisać plik na komputerze, informacja jest przechowywana jako seria zer i jedynek na dysku twardym lub pamięci flash. Urządzenia te zawierają mikroskopijne magnesy z dwoma biegunami – północnym i południowym – których orientacja jest zgodna z kierunkiem zewnętrznego pola magnetycznego. Dane są zapisywane lub kodowane, gdy te maleńkie magnesy zostaną obrócone w pożądanym kierunku.

Twórcy innowacyjnego magnesu twierdzą, że wolne elektrony w tlenku cynku mogą działać jako pośrednik, który zapewnia, że magnetyczne atomy kobaltu nadal wskazują ten sam kierunek – a więc pozostają magnetyczne – nawet jeśli gospodarz (tu półprzewodnikowy tlenek cynku) jest materiałem niemagnetycznym.

Nowy materiał, który można wygiąć w niemal dowolny kształt bez łamania, a jego grubość wynosi jedną milionową część grubości pojedynczej kartki papieru – może pomóc w rozwoju spintroniki – technologii, która do kodowania danych wykorzystuje orientację spinu elektronu, a nie jego ładunek.

Nasz dwuwymiarowy magnes może umożliwić tworzenie ultrakompaktowych urządzeń spintronicznych, które będą sterować spinami elektronów.

Rui Chen z UC Berkeley

Chcesz być na bieżąco z CHIP? Obserwuj nas w Google News