El desarrollo de imanes ultrafinos a temperatura ambiente podría dar lugar a nuevas aplicaciones en informática y electrónica, como dispositivos de memoria electrónica de alta densidad integrados, y nuevas herramientas para el estudio de la física cuántica.

Imán ultrafino, que se publicó recientemente en la revista Conexiones con la naturaleza , podría hacer grandes avances en memorias de próxima generación, computación, electrónica inferior y física cuántica. Fue descubierto por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Laboratorio de Berkeley) y la Universidad de California, Berkeley.

“Somos los primeros en fabricar imanes 2D a temperatura ambiente que son químicamente estables en condiciones ambientales”, dijo uno de los autores principales. Ji Yao, miembro de la facultad en el Departamento de Ciencia de Materiales en Berkeley Lab y Profesor Asociado de Ciencia e Ingeniería de Materiales en UC Berkeley.

“Este descubrimiento es emocionante porque no solo hace posible el magnetismo 2D a temperatura ambiente, sino que también revela un nuevo mecanismo para realizar materiales magnéticos 2D”, agregó Rui Chen, estudiante graduado de UC Berkeley en Yao Research Group y autor principal de un estudio. . “

El componente magnético de los dispositivos de memoria actuales generalmente consiste en películas magnéticas delgadas. Pero a nivel atómico, estas películas magnéticas siguen siendo tridimensionales: cientos o miles de átomos de espesor. Durante décadas, los investigadores han buscado formas de hacer que los imanes 2D sean más delgados y pequeños, lo que permite un almacenamiento de datos con una densidad mucho mayor.

Los logros anteriores en el campo de los materiales magnéticos bidimensionales han arrojado resultados prometedores. Pero estos primeros imanes bidimensionales pierden su atractivo y se vuelven químicamente inestables a temperatura ambiente.

“Los imanes 2D avanzados necesitan temperaturas muy bajas para funcionar. Pero por razones prácticas, el centro de datos necesita operar a temperatura ambiente”, dijo Yao. “En teoría, sabemos que cuanto más pequeño es el imán, mayor es la densidad de datos potencial del disco. Nuestro imán 2D no solo es el primero en operar a temperatura ambiente o más alta, sino que también es el primero en alcanzar el límite 2D real: es ¡tan delgado como un solo átomo! ”

Los investigadores dicen que su descubrimiento también abrirá nuevas oportunidades para estudiar la física cuántica. “Nuestros imanes delgados atómicos proporcionan una plataforma ideal para explorar el mundo cuántico”, dijo Yao. “Abre cada átomo individual para su examen, revelando potencialmente cómo la física cuántica gobierna cada átomo magnético individual y las interacciones entre ellos. Con un imán de bloque convencional donde la mayoría de los átomos magnéticos están enterrados profundamente dentro del material, tales estudios serán todo un desafío. . “

Los investigadores hicieron el nuevo imán bidimensional, llamado imán de óxido de zinc de van der Waals con lavado de cobalto, a partir de una solución de grafeno, zinc y óxido de cobalto. Solo unas pocas horas de cocción en un horno de laboratorio convencional convirtieron la mezcla en una sola capa atómica de óxido de zinc con algunos átomos de cobalto intercalados entre capas de grafeno. En el paso final, se quema el grafeno, dejando una única capa atómica de óxido de zinc saturado con cobalto.

“Con nuestros materiales, no existen obstáculos importantes para que la industria adopte nuestro enfoque basado en soluciones”, dijo Yao. “Potencial para ser escalable para la producción en masa a menores costos”

Para asegurarse de que la película bidimensional resultante tenga solo un átomo de espesor, Yao y su equipo realizaron experimentos de microscopía electrónica de barrido en Berkeley Lab. Fundición molecular Para determinar la forma del material, imágenes de microscopía electrónica de transmisión para sondear átomo por átomo del material.

Con la evidencia de que su material 2D es en realidad solo un átomo de espesor, los investigadores pasaron al siguiente desafío que ha desconcertado a los investigadores durante años: demostrar un imán 2D que funciona con éxito a temperatura ambiente.

Experimentos de rayos X en Berkeley Lab fuente de luz avanzada Los parámetros magnéticos del material bidimensional se caracterizaron a alta temperatura. Experimentos de rayos X adicionales en la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford en el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC de SLAC han demostrado las estructuras electrónicas y cristalinas de los imanes compuestos bidimensionales. En el Centro de Nanomateriales del Laboratorio Nacional Argonne, los investigadores tomaron imágenes de la estructura cristalina bidimensional y la estructura química del material utilizando microscopía electrónica de transmisión.

En general, los experimentos de laboratorio del equipo de investigación mostraron que el sistema de óxido de zinc y grafeno se vuelve débilmente magnético a una concentración del 5-6% de átomos de cobalto. El aumento de la concentración de átomos de cobalto a aproximadamente el 12% da como resultado un imán muy fuerte.

Para sorpresa de los investigadores, una concentración de átomos de cobalto superior al 15% convierte el imán bidimensional en un extraño estado cuántico de “frustración”, donde diferentes estados magnéticos dentro del sistema bidimensional compiten entre sí.

Y a diferencia de los imanes 2D anteriores, que pierden su magnetismo a temperatura ambiente o por encima de ella, los investigadores encontraron que los nuevos imanes 2D funcionan no solo a temperatura ambiente sino también a 100 ° C (212 ° F).

“Nuestro sistema magnético 2D muestra un mecanismo distinto en comparación con los imanes 2D anteriores”, dijo Chen. “Creemos que este mecanismo único se debe a los electrones libres en el óxido de zinc”.

Cuando le indica a su computadora que guarde un archivo, esa información se almacena como una serie de unos y ceros en la memoria magnética de la computadora, como un disco duro magnético o una memoria flash. Como todos los imanes, los dispositivos de memoria magnética contienen imanes microscópicos con dos polos, norte y sur, cuyas direcciones siguen la dirección de un campo magnético externo. Los datos se escriben o codifican cuando estos pequeños imanes giran en la dirección deseada.

Según Chen, los electrones libres de óxido de zinc pueden actuar como un medio asegurando que los átomos magnéticos de cobalto en el nuevo dispositivo 2D continúen apuntando en la misma dirección, y por lo tanto permanezcan magnéticos, incluso cuando el anfitrión, en este caso el zinc semiconductor óxido, es un material no magnético.

“Los electrones libres son los componentes de las corrientes eléctricas. Se mueven en la misma dirección para conducir la electricidad”, agregó Yao, refiriéndose al movimiento de electrones libres en metales y semiconductores al flujo de moléculas de agua en una corriente de agua.

Los investigadores dicen que el nuevo material, que se puede doblar en casi cualquier forma sin romperse y tiene un espesor de una millonésima parte de una sola hoja de papel, podría ayudar a desarrollar la aplicación de la electrónica de espín o la electrónica dental, una nueva tecnología que utiliza la guía de espín de electrones. en lugar de su cargo de codificar datos. “Nuestros imanes bidimensionales pueden permitir la formación de dispositivos espintrónicos ultra pequeños para diseñar el espín de electrones”, dijo Chen.

“Creo que el descubrimiento de este nuevo y verdaderamente poderoso imán bidimensional a temperatura ambiente es un logro real de Ji Yao y sus estudiantes”, dijo el coautor Robert Bergino, científico principal de la facultad en el Departamento de Ciencia de Materiales del Berkeley Lab. . Profesor de Física en UC Berkeley que codirigió las mediciones magnéticas del estudio. Añadió: “Además de su aparente importancia para los dispositivos espintrónicos, este imán bidimensional es fascinante a nivel atómico, revelando por primera vez cómo los átomos magnéticos de cobalto interactúan en distancias ‘largas’ a través de una compleja red bidimensional.

“Nuestros resultados son mejores de lo que esperábamos, lo que es realmente emocionante”, dijo. “La mayor parte del tiempo en la ciencia, los experimentos pueden ser muy desafiantes”. “Pero cuando finalmente te das cuenta de algo nuevo, siempre es muy satisfactorio”.

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Los coautores del artículo son investigadores de Berkeley Lab, incluidos Alpha N’Diaye y Padraic Shafer de Advanced Light Source. Universidad de California en Berkeley; Laboratorio Nacional Riverside Argonne de la Universidad de California; Universidad de Nanjing y Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de China.

La fuente de luz avanzada y la fundición molecular son instalaciones para usuarios nacionales del DOE en Berkeley Lab.

La fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford es una instalación nacional del Departamento de Energía en el Laboratorio Nacional del Acelerador de SLAC.

El Centro de Nanomateriales es una instalación de usuario nacional del Departamento de Energía en el Laboratorio Nacional de Argonne.

Este trabajo fue financiado por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía, Intel, y el Programa Bakar Fellows de la Universidad de California, Berkeley.

Fundada en 1931 con la convicción de que los mejores desafíos científicos deben ser abordados por equipos, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley Sus científicos han ganado 14 premios Nobel. En la actualidad, los investigadores de Berkeley Lab desarrollan soluciones medioambientales y energéticas sostenibles, crean nuevos materiales útiles, avanzan las fronteras de la informática y exploran los misterios de la vida, la materia y el universo. Los científicos de todo el mundo confían en las instalaciones del laboratorio para su descubrimiento científico. Berkeley Lab es un laboratorio nacional de programas múltiples, operado por la Universidad de California para la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU.

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