Visualisierung eines Magnetfeldes. (Marc Mateos/Moment/Getty Images) Eine nur ein einziges Atom dicke Materialscheibe bricht Rekorde.
Der ultradünne Wafer ist ein Magnet, der bei Raumtemperatur arbeitet und Möglichkeiten für die Entwicklung von Technologie, insbesondere von Speichergeräten, sowie für die Erforschung von Ferromagnetismus und Quantenphysik eröffnet.
Dies ist ein großer Fortschritt im Vergleich zu früheren Versuchen, einen 2D-Magneten herzustellen, der seinen Magnetismus und seine Stabilität verloren hat, wenn er ultrakalten Bedingungen entzogen wurde.
„Wir sind die ersten, die einen 2D-Magneten bei Raumtemperatur herstellen, der unter Umgebungsbedingungen chemisch stabil ist“, sagte der Materialwissenschaftler Jie Yao der University of California Berkeley.
„Hochmoderne 2D-Magnete benötigen für ihre Funktion sehr niedrige Temperaturen. Aus praktischen Gründen muss ein Rechenzentrum jedoch bei Raumtemperatur betrieben werden. „Unser 2D-Magnet ist nicht nur der erste, der bei Raumtemperatur oder höher funktioniert, sondern auch der erste Magnet, der die wahre 2D-Grenze erreicht: Er ist so dünn wie ein einzelnes Atom!“
Diese erstaunliche Leistung wurde mit einem Material namens kobaltdotiertem Van-der-Waals-Zinkoxid erzielt. Wie der Name schon sagt, entsteht es durch Kombinieren Graphen Oxid, Zink und Kobalt. Graphenoxid wird in Acetatdihydrate von Zink und Kobalt eingetaucht, deren Verhältnisse sorgfältig gemessen werden.
Beim Backen im Vakuum kühlt diese Mischung langsam zu einer einzelnen Schicht aus Zinkoxid ab, die mit Kobaltatomen durchsetzt ist und zwischen Schichten aus Graphen liegt. Durch einen Schritt des Backens an der Luft wird das Graphen abgebrannt, wobei die einzelne Schicht aus kobaltdotiertem Zinkoxid zurückbleibt.
Anschließend nutzte das Team Rasterelektronenmikroskopie, um die Einzelatomdicke der Struktur zu bestätigen, und Transmissionselektronenmikroskopie, um die Kristallstruktur und -zusammensetzung Atom für Atom abzubilden.
Darstellung der magnetischen Kopplung im Material. (Berkeley Lab)
Der resultierende 2D-Film erwies sich als magnetisch, aber wie magnetisch er genau war, hing von der Menge an Kobalt ab, die im Zinkoxid verstreut war. Der Magnetismus war mit etwa 5 bis 6 Prozent recht schwach. Auf etwa 12 Prozent verdoppelt, wurde das Material ziemlich stark magnetisch.
Bei 15 Prozent war das Material so stark magnetisch, dass lokalisierte Spins innerhalb des Materials begannen, miteinander zu konkurrieren, ein Zustand, der als bekannt ist Frustration . Dies kann die magnetische Ordnung innerhalb eines Systems beeinträchtigen, so dass der Kobalt-Sweetspot bei etwa 12 Prozent liegt.
Interessanterweise blieb der Film nicht nur bei Raumtemperatur magnetisch und chemisch stabil, sondern bis zu Temperaturen von etwa 100 Grad Celsius (212 Grad Fahrenheit) – obwohl Zinkoxid kein ist ferromagnetisch Material.
„Unser 2D-Magnetsystem zeigt im Vergleich zu früheren 2D-Magneten einen anderen Mechanismus.“ sagte der Materialwissenschaftler und Erstautor der Studie, Rui Chen der UC Berkeley. „Und wir glauben, dass dieser einzigartige Mechanismus auf die freien Elektronen in Zinkoxid zurückzuführen ist.“
Elektronen sind unter anderem sehr kleine Magnete. Jedes Elektron hat einen Nord- und einen Südmagnetpol und ein eigenes winziges Magnetfeld. In den meisten Materialien heben sich die magnetischen Ausrichtungen der Elektronen gegenseitig auf, in ferromagnetischen Materialien gruppieren sich die Elektronen jedoch in Domänen wo sie alle die gleiche magnetische Ausrichtung haben. In einem magnetischen Material sind alle Domänen in die gleiche Richtung ausgerichtet.
Freie Elektronen sind solche, die nicht an den Atomkern gebunden sind. Die Forscher glauben, dass die freien Elektronen im Zinkoxid als Vermittler fungieren könnten, die die magnetischen Kobaltatome im Film auch bei hohen Temperaturen in der gleichen Richtung orientieren.
Dies ist sicherlich etwas, das weitere Untersuchungen erfordert, insbesondere da es so viele neue Wege für die Entwicklung von Technologie und Forschung eröffnen könnte. Die Folie selbst ist flexibel und ihre Herstellung skalierbar, was bedeutet, dass die Möglichkeiten atemberaubend sind.
Eine Möglichkeit besteht darin, die magnetischen Wechselwirkungen zwischen Atomen zu untersuchen, was Auswirkungen auf die Quantenphysik hat. Eine andere ist die Spintronik, die Untersuchung des Spins von Elektronen. Es könnte auch zur Herstellung leichter und flexibler Speichergeräte verwendet werden, die auf der Änderung der Ausrichtung des Magnetfelds zur Kodierung binärer Daten beruhen.
Zukünftige Analysen und Berechnungen werden dazu beitragen, die Grenzen des Materials besser zu verstehen.
„Unsere Ergebnisse sind sogar besser als erwartet, was wirklich aufregend ist.“ „In der Wissenschaft können Experimente meist eine große Herausforderung sein“, sagte Yao . „Aber wenn man endlich etwas Neues erkennt, ist das immer sehr erfüllend.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Naturkommunikation .