Fyzici práve prekonali rekord v najtenšom magnete na svete a je to divoké

Vizualizácia magnetického poľa. (Marc Mateos/Moment/Getty Images)

Kus materiálu s hrúbkou len jedného atómu láme rekordy.

Ultratenký plátok je magnet, ktorý funguje pri izbovej teplote a otvára cesty pre vývoj technológií, najmä pamäťových zariadení, a pre výskum feromagnetizmu a kvantovej fyziky.

Je to obrovský krok vpred oproti predchádzajúcim pokusom vytvoriť 2D magnet, ktorý po odstránení z ultrachladných podmienok stratil svoj magnetizmus a stabilitu.



„Sme prví, ktorí vyrobili 2D magnet pri izbovej teplote, ktorý je chemicky stabilný v okolitých podmienkach,“ povedal materiálový vedec Jie Yao z Kalifornskej univerzity v Berkeley.

„Najmodernejšie 2D magnety potrebujú na fungovanie veľmi nízke teploty. Ale z praktických dôvodov musí dátové centrum bežať pri izbovej teplote. Náš 2D magnet nie je len prvý, ktorý funguje pri izbovej teplote alebo vyššej, ale je tiež prvým magnetom, ktorý dosiahol skutočný 2D limit: Je tenký ako jeden atóm!'

Tento úžasný úspech bol dosiahnutý pomocou materiálu nazývaného van der Waals zinok-oxid dopovaný kobaltom. Ako už názov napovedá, vzniká kombinovaním grafén oxid, zinok a kobalt. Oxid grafénu je ponorený do acetátových dihydrátov zinku a kobaltu, ktorých pomery sú starostlivo merané.

Pri pečení vo vákuu sa táto zmes pomaly ochladzuje do jedinej vrstvy oxidu zinočnatého rozptýlenej atómami kobaltu, vloženej medzi vrstvy grafénu. Krok pečenia na vzduchu spáli grafén, pričom zostane jediná vrstva oxidu zinočnatého dopovaného kobaltom.

Tím potom použil skenovaciu elektrónovú mikroskopiu na potvrdenie hrúbky jedného atómu štruktúry a transmisnú elektrónovú mikroskopiu na zobrazenie kryštálovej štruktúry a zloženia, atóm po atóme.

Ilustrácia magnetickej väzby v materiáli. (Berkeley Lab)

Zistilo sa, že výsledný 2D film je magnetický, ale presne to, ako magnetické záviselo od množstva kobaltu rozptýleného medzi oxidom zinočnatým. Okolo 5 až 6 percent bol magnetizmus dosť slabý. Zdvojnásobením na približne 12 percent sa materiál stal silne magnetickým.

Na 15 percent bol materiál tak silne magnetický, že lokalizované spiny v materiáli začali medzi sebou súťažiť, stav známy ako frustrácia . To môže narušiť magnetický poriadok v systéme, takže sa zdá, že niekde okolo 12 percent je sladká škvrna kobaltu.

Je zaujímavé, že film zostal magnetický a chemicky stabilný nielen pri izbovej teplote, ale až do teploty okolo 100 stupňov Celzia (212 stupňov Fahrenheita) – aj keď oxid zinočnatý nie je feromagnetické materiál.

„Náš 2D magnetický systém vykazuje odlišný mechanizmus v porovnaní s predchádzajúcimi 2D magnetmi,“ povedal materiálový vedec a prvý autor štúdie Rui Chen z UC Berkeley. 'A myslíme si, že tento jedinečný mechanizmus je spôsobený voľnými elektrónmi v oxide zinočnatém.'

Elektróny sú okrem iného veľmi malé magnety. Každý elektrón má severný a južný magnetický pól a svoje malé magnetické pole. Vo väčšine materiálov sa magnetické orientácie elektrónov navzájom rušia, ale vo feromagnetických materiáloch sa elektróny zoskupujú v doménach kde majú všetky rovnakú magnetickú orientáciu. V magnetickom materiáli sú všetky domény orientované rovnakým smerom.

Voľné elektróny sú tie, ktoré nie sú pripojené k jadru atómu. Výskumníci sa domnievajú, že voľné elektróny v oxide zinočnatých by mohli fungovať ako sprostredkovatelia, ktorí udržujú magnetické atómy kobaltu vo filme orientované rovnakým smerom, dokonca aj pri vysokých teplotách.

Je to určite niečo, čo si vyžaduje ďalšie skúmanie, najmä preto, že by to mohlo otvoriť toľko nových ciest pre rozvoj technológií a výskumu. Samotná fólia je flexibilná a jej výroba je škálovateľná, čo znamená, že možnosti sú oslnivé.

Jednou z ciest je štúdium magnetických interakcií medzi atómami, čo má dôsledky pre kvantovú fyziku. Ďalšou je spintronika, štúdium rotácie elektrónov. Dalo by sa použiť aj na výrobu ľahkých a flexibilných pamäťových zariadení, ktoré sa spoliehajú na prepínanie orientácie magnetického poľa na kódovanie binárnych údajov.

Budúce analýzy a výpočty pomôžu lepšie pochopiť obmedzenia materiálu.

„Naše výsledky sú ešte lepšie, ako sme očakávali, čo je naozaj vzrušujúce. Väčšinu času vo vede môžu byť experimenty veľmi náročné,“ povedal Yao . 'Ale keď si konečne uvedomíte niečo nové, vždy vás to veľmi naplní.'

Výskum bol publikovaný v r Prírodné komunikácie .

O Nás

Publikácia Nezávislých, Osvedčených Skutočností O Správach O Zdraví, Priestore, Prírode, Technológii A Životnom Prostredí.