图解单原子薄二维磁铁

信贷:伯克利实验室

图解单原子薄二维磁铁. Red represents cobalt atoms; blue represents oxygen atoms; and yellow represents 锌 atoms.

在室温下工作的超薄磁铁的开发可能会在计算机和电子领域带来新的应用——比如高密度磁铁, 紧凑型自旋电子存储设备——以及量子物理研究的新工具.

超薄磁铁,这是最近 发表在《澳门太阳集团城》杂志上在新一代存储设备、计算、自旋电子学和量子物理学方面可能取得重大进展. 它是由美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室和澳门太阳集团城伯克利分校的科学家们发现的.

“我们是第一个在室温条件下化学稳定的2D磁铁,资深作者说 杰么, 他是伯克利实验室材料科学部的教员科学家,也是澳门太阳集团城伯克利分校材料科学与工程副教授.

“这一发现令人兴奋,因为它不仅使二维磁场在室温下成为可能, 同时也揭示了一种实现二维磁性材料的新机制,芮晨补充道, 澳门太阳集团城伯克利分校的研究生 姚研究小组 也是这项研究的主要作者.

制作世界上最薄的磁铁:在这段视频中, 伯克利实验室的科学家杰么描述了他和他的团队是如何实现创纪录的二维磁体的, 第一个在室温下工作的单原子薄磁铁.
珍妮·努斯和玛丽莲·萨金特/伯克利实验室

今天存储设备的磁性元件通常是由磁性薄膜制成的. 但在原子层面, 这些材料仍然是三维的——有数百或数千个原子那么厚. 几十年来,, 研究人员一直在寻找制造更薄更小的2D磁铁的方法,从而使数据以更高的密度存储.

二维磁性材料的研究已经取得了可喜的成果. 但这些早期的2D磁铁在室温下失去了磁性,化学性质变得不稳定.

“最先进的2D磁铁需要非常低的温度才能发挥作用. 但出于实际原因,数据中心需要在室温下运行。. “我们的2D磁铁不仅是第一个在室温或更高温度下工作的, 但它也是第一个达到真正的二维极限的磁铁:它像单个原子一样薄!”

研究人员表示,他们的发现也将为研究量子物理学提供新的机会. “它打开了每一个原子进行检查, 这可能揭示量子物理学是如何控制每个磁性原子以及它们之间的相互作用的,”姚明说.

制造一个能吸收热量的2D磁铁

研究人员从氧化石墨烯溶液中合成了新的二维磁体——被称为掺杂钴的范德华氧化锌磁体, 锌, 和钴.

在传统的实验室烤箱中烘烤几个小时,混合物就变成了单一的氧化锌原子层,石墨烯层之间还夹着少量的钴原子.

最后一步, 石墨烯被烧掉, 只留下了一个掺杂钴的氧化锌原子层.

“用我们的材料, 工业采用我们的基于解决方案的方法没有主要障碍,“说姚明. “它有可能以更低的成本进行大规模生产.”

来证实得到的二维薄膜只有一个原子厚, 姚和他的团队在伯克利实验室进行了扫描电子显微镜实验 分子铸造 以识别材料的形态, 透射电子显微镜(TEM)成像来逐个原子探测材料.

伯克利实验室的x射线实验 先进的光源 表征了二维材料在高温下的磁性参数.

SLAC国家加速器实验室的斯坦福同步辐射光源进行了额外的x射线实验,验证了合成的2D磁铁的电子和晶体结构. 在阿贡国家实验室的纳米材料中心, 研究人员利用透射电镜(TEM)对二维材料的晶体结构和化学成分进行了成像.

研究人员发现,当钴原子浓度达到5- 6%时,石墨烯-氧化锌系统就会变得弱磁性. 将钴原子的浓度增加到大约12%,就会产生一个非常强的磁铁.

令他们吃惊的是, 当钴原子浓度超过15%时,二维磁体就会进入“挫折”的奇异量子态,“由此,二维系统中的不同磁态相互竞争.

与之前的2D磁铁不同, 它们在室温或更高的温度下失去磁性, 研究人员发现,新的2D磁铁不仅能在室温下工作,还能在100摄氏度(212华氏度)下工作。.

“与之前的2D磁铁相比,我们的2D磁系统显示了一种独特的机制,”陈说. “我们认为这种独特的机制是由于氧化锌中的自由电子.”

真北:自由电子使磁性原子保持在轨道上

磁铁自身绘制二进制代码的动画
来源:玛丽莲·萨金特/伯克利实验室

当您命令计算机保存文件时, 这些信息以一串1和0的形式存储在计算机的磁存储器中, 例如硬盘驱动器或闪存.

就像所有磁铁一样, 磁记忆装置含有极南极北的微型磁铁, 它们的方向与外部磁场的方向一致. 当这些微小的磁铁被翻转到需要的方向时,数据就被写入或编码.

据陈, 氧化锌的自由电子可以作为一种中介物,确保新的二维器件中的磁性钴原子继续指向同一个方向,从而保持磁性,即使当宿主, 在这种情况下,半导体氧化锌, 是非磁性材料吗.

自由电子是电流的组成部分. 它们向同一个方向移动以导电,”姚明说, 将金属和半导体中自由电子的运动比作水流中水分子的流动.

这种新材料几乎可以弯曲成任何形状而不会断裂, 它比一张纸薄一百万倍,有助于推进自旋电子学或自旋电子学的应用, 一种利用电子自旋方向而不是电荷来编码数据的新技术. “我们的2D磁体可能会形成超紧凑的自旋电子设备,以设计电子的自旋,”陈先生说.

“我相信这个新发现, 健壮的, 真正的二维磁体在室温下是一个真正的突破,合著者Robert Birgeneau说, 他是伯克利实验室材料科学部的资深科学家和澳门太阳集团城伯克利分校的物理学教授,共同领导了这项研究.

“我们的结果甚至比我们预期的还要好,这真的很令人兴奋. 大多数时候,在科学领域,实验是非常具有挑战性的。. “但当你最终意识到一些新的东西时,总是很有成就感.”

这篇论文的合著者包括来自伯克利实验室的研究人员, including Alpha N’Diaye and Padraic Shafer of the 先进的光源; UC 澳门太阳集团城伯克利分校; UC 河畔; Argonne National Laboratory; and Nanjing University and the University of Electronic Science and 技术 of China.

先进光源和分子铸造是能源部在伯克利实验室的国家用户设施.

斯坦福同步辐射光源是美国能源部在SLAC国家加速器实验室的国家用户设施.

纳米材料中心是美国能源部在阿贡国家实验室的国家用户设施.

这项工作是由美国能源部科学办公室资助的, 英特尔公司, 以及澳门太阳集团城伯克利分校的Bakar研究员项目.