Wetenschappers maken ’s werelds dunste magneet

De ontwikkeling van een ultradunne magneet die bij kamertemperatuur werkt, zou kunnen leiden tot nieuwe toepassingen in de informatica en elektronica, zoals compacte spintronische geheugenapparaten met hoge dichtheid, en tot nieuwe hulpmiddelen voor de studie van de kwantumfysica.

De ultradunne magneet, die onlangs in het tijdschrift werd gerapporteerd Natuurcommunicatie , zou grote vooruitgang kunnen boeken op het gebied van herinneringen van de volgende generatie, computers, spintronica en kwantumfysica. Het werd ontdekt door wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab) en UC Berkeley.

“We zijn de eersten die een 2D-magneet op kamertemperatuur hebben gemaakt die chemisch stabiel is onder omgevingsomstandigheden”, zegt senior auteur Jie Yao, een faculteitswetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering aan UC Berkeley.

“Deze ontdekking is opwindend omdat het niet alleen 2D-magnetisme mogelijk maakt bij kamertemperatuur, maar het onthult ook een nieuw mechanisme om 2D-magnetische materialen te realiseren”, voegde Rui Chen, een afgestudeerde student van UC Berkeley in de Yao Research Group toe en leidde auteur van de studie.”

De magnetische component van de huidige geheugenapparaten is meestal gemaakt van magnetische dunne films. Maar op atomair niveau zijn deze magnetische films nog steeds driedimensionaal – honderden of duizenden atomen dik. Decennialang hebben onderzoekers gezocht naar manieren om dunnere en kleinere 2D-magneten te maken en zo data met een veel hogere dichtheid op te slaan.

Eerdere prestaties op het gebied van 2-D magnetische materialen hebben veelbelovende resultaten opgeleverd. Maar deze vroege 2D-magneten verliezen hun magnetisme en worden chemisch onstabiel bij kamertemperatuur.

“State-of-the-art 2D-magneten hebben zeer lage temperaturen nodig om te functioneren. Maar om praktische redenen moet een datacenter op kamertemperatuur werken”, zegt Yao. “Theoretisch weten we dat hoe kleiner de magneet, hoe groter de potentiële gegevensdichtheid van de schijf. Onze 2-D-magneet is niet alleen de eerste die werkt bij kamertemperatuur of hoger, maar het is ook de eerste magneet die de echte 2-D-magneet bereikt. D-limiet: het is zo dun als een enkel atoom!”

De onderzoekers zeggen dat hun ontdekking ook nieuwe mogelijkheden biedt om kwantumfysica te bestuderen. “Onze atomair dunne magneet biedt een optimaal platform voor het onderzoeken van de kwantumwereld,” zei Yao. “Het opent elk afzonderlijk atoom voor onderzoek, wat kan onthullen hoe de kwantumfysica elk afzonderlijk magnetisch atoom en de interacties daartussen regelt. Met een conventionele bulkmagneet waar de meeste magnetische atomen diep in het materiaal zijn begraven, zouden dergelijke studies behoorlijk zijn. uitdagend om te doen.”

Het maken van een 2D-magneet die tegen de hitte kan

De onderzoekers synthetiseerden de nieuwe 2D-magneet – een met kobalt gedoteerde Van der Waals-zinkoxidemagneet – uit een oplossing van grafeenoxide, zink en kobalt. Slechts een paar uur bakken in een conventionele laboratoriumoven transformeerde het mengsel in een enkele atomaire laag zinkoxide met een paar kobaltatomen ingeklemd tussen lagen grafeen. In een laatste stap wordt grafeen weggebrand, waarbij slechts een enkele atomaire laag van met kobalt gedoteerd zinkoxide achterblijft.

“Met ons materiaal zijn er geen grote obstakels voor de industrie om onze oplossingsgerichte methode toe te passen”, aldus Yao. “Het is potentieel schaalbaar voor massaproductie tegen lagere kosten.”

Om te bevestigen dat de resulterende 2D-film slechts één atoom dik is, voerden Yao en zijn team scanning-elektronenmicroscopie-experimenten uit in de Molecular Foundry van Berkeley Lab om de morfologie van het materiaal te identificeren, en transmissie-elektronenmicroscopiebeeldvorming om het materiaal atoom voor atoom te onderzoeken.

Met het bewijs in de hand dat hun 2D-materiaal echt maar een atoom dik is, gingen de onderzoekers verder met de volgende uitdaging die onderzoekers jarenlang in verwarring had gebracht: het demonstreren van een 2D-magneet die met succes werkt bij kamertemperatuur.

Röntgenexperimenten in de geavanceerde lichtbron van Berkeley Lab karakteriseerden de magnetische parameters van het 2D-materiaal onder hoge temperatuur. Aanvullende röntgenexperimenten bij de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource van het SLAC National Accelerator Laboratory verifieerden de elektronische en kristalstructuren van de gesynthetiseerde 2D-magneten. En in het Center for Nanoscale Materials van het Argonne National Laboratory hebben de onderzoekers de kristalstructuur en chemische samenstelling van het 2D-materiaal in beeld gebracht met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie.

Als geheel toonden de laboratoriumexperimenten van het onderzoeksteam aan dat het grafeen-zink-oxidesysteem zwak magnetisch wordt met een concentratie van 5-6% kobaltatomen. Het verhogen van de concentratie van kobaltatomen tot ongeveer 12% resulteert in een zeer sterke magneet.

Tot verbazing van de onderzoekers verschuift een concentratie van kobaltatomen van meer dan 15% de 2D-magneet in een exotische kwantumtoestand van “frustratie”, waarbij verschillende magnetische toestanden binnen het 2D-systeem met elkaar concurreren.

En in tegenstelling tot eerdere 2D-magneten, die hun magnetisme verliezen bij kamertemperatuur of hoger, ontdekten de onderzoekers dat de nieuwe 2D-magneet niet alleen bij kamertemperatuur werkt, maar ook bij 100 graden Celsius (212 graden Fahrenheit).

“Ons 2D-magneetsysteem vertoont een duidelijk mechanisme in vergelijking met eerdere 2D-magneten”, zegt Chen. “En we denken dat dit unieke mechanisme te wijten is aan de vrije elektronen in zinkoxide.”

Het ware noorden: vrije elektronen houden magnetische atomen op het goede spoor

Wanneer u uw computer opdracht geeft een bestand op te slaan, wordt die informatie als een reeks enen en nullen opgeslagen in het magnetische geheugen van de computer, zoals de magnetische harde schijf of een flashgeheugen. En zoals alle magneten bevatten magnetische geheugenapparaten microscopisch kleine magneten met twee polen – noord en zuid, waarvan de oriëntatie de richting van een extern magnetisch veld volgt. Gegevens worden geschreven of gecodeerd wanneer deze kleine magneten in de gewenste richting worden gedraaid.

Volgens Chen zouden de vrije elektronen van zinkoxide kunnen fungeren als een tussenpersoon die ervoor zorgt dat de magnetische kobaltatomen in het nieuwe 2D-apparaat in dezelfde richting blijven wijzen – en dus magnetisch blijven – zelfs wanneer de gastheer, in dit geval het halfgeleiderzinkoxide , is een niet-magnetisch materiaal.

“Vrije elektronen zijn bestanddelen van elektrische stromen. Ze bewegen in dezelfde richting om elektriciteit te geleiden,” voegde Yao eraan toe, terwijl hij de beweging van vrije elektronen in metalen en halfgeleiders vergeleek met de stroom van watermoleculen in een stroom water.

De onderzoekers zeggen dat nieuw materiaal – dat in bijna elke vorm kan worden gebogen zonder te breken en een miljoenste van de dikte van een enkel vel papier is – kan helpen bij het bevorderen van de toepassing van spin-elektronica of spintronica, een nieuwe technologie die de oriëntatie van de spin van een elektron in plaats van zijn lading om gegevens te coderen. “Onze 2D-magneet kan de vorming van ultracompacte spintronische apparaten mogelijk maken om de spins van de elektronen te ontwerpen,” zei Chen.

“Ik geloof dat de ontdekking van deze nieuwe, robuuste, echt tweedimensionale magneet bij kamertemperatuur een echte doorbraak is voor Jie Yao en zijn studenten”, zegt co-auteur Robert Birgeneau, een senior wetenschapper van de faculteit in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en hoogleraar natuurkunde aan de UC Berkeley die mede leiding gaf aan de magnetische metingen van de studie. “Naast zijn duidelijke betekenis voor spintronische apparaten, is deze 2D-magneet fascinerend op atomair niveau en onthult hij voor het eerst hoe kobalt magnetische atomen op ‘lange’ afstanden interageren” via een complex tweedimensionaal netwerk, voegde hij eraan toe.

“Onze resultaten zijn zelfs beter dan we hadden verwacht, wat echt opwindend is. Meestal kunnen experimenten in de wetenschap erg uitdagend zijn,” zei hij. “Maar als je eindelijk iets nieuws realiseert, geeft dat altijd veel voldoening.”