Физики побили рекорд самого тонкого магнита в мире

Ультратонкая пластина - это магнит, который работает при комнатной температуре, открывая возможности для развития технологий, в частности устройств памяти, а также для исследований ферромагнетизма и квантовой физики.

Это огромный шаг вперед по сравнению с предыдущими попытками создать 2D-магнит, который потерял свой магнетизм и стабильность при удалении из ультрахолодных условий.

“Мы первые, кто создал двухмерный магнит, работающий при комнатной температуре, который является химически стабильным в условиях окружающей среды“, - сказал материаловед Цзе Яо из Калифорнийского университета в Беркли.

“Современные 2D-магниты для работы нуждаются в очень низких температурах. Но по практическим соображениям центр обработки данных должен работать при комнатной температуре. Наш 2D-магнит - не только первый, который работает при комнатной температуре или выше, но и также является первым магнитом, достигшим истинного 2D-предела: он такой же тонкий, как одиночный атом!“

Это удивительное достижение было достигнуто с использованием материала, который называется ван-дер-ваальсовым оксидом цинка, легированным кобальтом. Как следует из названия, он создан из оксида графена, цинка и кобальта. Оксид графена погружен в дигидраты ацетата цинка и кобальта, соотношение которых тщательно измеряется.

При запекании в вакууме эта смесь медленно остывает, образуя единственный слой оксида цинка с вкраплениями атомов кобальта, расположенный между слоями графена. На этапе запекания на воздухе графен выгорает, оставляя единственный слой оксида цинка, легированного кобальтом.

Затем команда использовала сканирующую электронную микроскопию, чтобы подтвердить одноатомную толщину структуры, и просвечивающую электронную микроскопию, чтобы отобразить кристаллическую структуру и состав, атом за атомом.

Полученная двумерная пленка оказалась магнитной, но то, насколько она магнитна, зависит от количества кобальта, рассеянного среди оксида цинка. Приблизительно от 5 до 6 процентов магнетизм был довольно слабым. Удвоившись примерно до 12 процентов, материал стал довольно сильно магнитным.

На 15% материал был настолько магнитным, что локализованные спины внутри материала начали конкурировать друг с другом - состояние, известное как разочарование . Это может нарушить магнитный порядок внутри системы, поэтому кажется, что где-то около 12 процентов - это золотая середина.

Интересно, что пленка оставалась магнитной и химически стабильной не только при комнатной температуре, но и до температуры около 100 градусов по Цельсию (212 градусов по Фаренгейту), хотя оксид цинка не является ферромагнитным материалом.

“Наша двумерная магнитная система демонстрирует особый механизм по сравнению с предыдущими двумерными магнитами“, - сказал материаловед и первый автор исследования Руи Чен из Калифорнийского университета в Беркли. “И мы думаем, что этот уникальный механизм связан с наличием свободных электронов в оксиде цинка“.

Электроны - это, помимо прочего, очень маленькие магниты. У каждого электрона есть северный и южный магнитные полюса и собственное крошечное магнитное поле. В большинстве материалов магнитные ориентации электронов компенсируют друг друга, но в ферромагнитных материалах электроны группируются вместе в доменах, где все они имеют одинаковую магнитную ориентацию. В магнитном материале все домены ориентированы в одном направлении.

Свободные электроны - это электроны, не прикрепленные к ядру атома. Исследователи полагают, что свободные электроны в оксиде цинка могут работать как посредники, которые удерживают магнитные атомы кобальта в пленке в одном направлении даже при высоких температурах.

Это, безусловно, то, что требует дальнейшего исследования, тем более, что оно может открыть так много новых возможностей для развития технологий и исследований. Сама пленка гибкая, а ее производство масштабируемо, а это значит, что возможности огромны.

Одним из направлений является изучение магнитных взаимодействий между атомами, что имеет значение для квантовой физики. Другой - спинтроника, изучение спина электронов. Его также можно использовать для производства легких и гибких запоминающих устройств, которые полагаются на изменение ориентации магнитного поля для кодирования двоичных данных.

Дальнейший анализ и расчеты помогут лучше понять ограничения материала.

“Наши результаты даже лучше, чем мы ожидали, и это действительно интересно. В большинстве случаев в науке эксперименты могут быть очень сложными“, - сказал Яо. “Но когда ты наконец осознаешь что-то новое, это всегда приносит удовлетворение“.

Напомним, ранее сообщалось, что магнитное поле Земли в прошлом постоянно изменялось.

Источник