科學家開發出世界上最薄的磁鐵 只有一個原子的厚度

2021年07月21日11:09

  本文來自cnBeta。

  美國科學家開發了一種世界上最薄的二維磁性材料,這一突破可能為計算和電子領域帶來令人興奮的新可能性。這種磁鐵只有一個原子的厚度,與以前開發的類似材料不同,它能夠在室溫下工作,除其他應用外,它可以使數據以更高的密度存儲。

  識別具有磁性的二維材料是科學家以前取得的成就。2017年,他們關注了對一種名為三碘化鉻的鐵磁性材料的研究,科學家發現這種材料可以被削成一個原子厚的單層,同時保持其磁性。

  美國勞倫斯伯克利國家實驗室和加州大學伯克利分校的科學家們一直在努力解決以前開發的這種二維磁體的一個缺點,即在室溫下的不穩定性,導致它們失去磁性。迄今為止,這限製了該技術的實用性,但研究人員現在已經找到了一條有希望的前進道路。

  “最先進的二維磁體需要非常低的溫度才能發揮作用,”資深作者姚傑(音譯)解釋說。“但由於實際原因,數據中心需要在室溫下運行。我們的二維磁體不僅是第一個在室溫或更高溫度下運行的磁體,而且也是第一個達到真正二維極限的磁體:它像一個單原子一樣薄!”

  科學家們從氧化石墨烯、鋅和鈷的混合物開始,在實驗室中進行烘烤,變成了一層遍佈鈷原子的氧化鋅。這層厚度僅為一個原子,被夾在兩層石墨烯之間,然後將其燒掉,留下一層磁性的二維薄膜。

  通過後續實驗,研究小組發現可以通過改變材料中鈷的含量來調整磁性。濃度為5%或6%的鈷原子會產生一個相對較弱的磁體,而將濃度提高到12%會產生一個非常強的磁體。將濃度提高到15%,就會出現科學家們所說的 “frustration ”的量子狀態,在這種狀態下,材料中相互衝突的磁態會相互競爭。

  至關重要的是,研究小組發現,與早期的二維磁體不同,這種材料不僅在室溫下,而且在高達100℃的溫度下都能保持其磁力特性。

  “與以前的二維磁體相比,我們的二維磁體系統顯示出一種獨特的機製,”研究作者陳銳(音譯)說。“而且我們認為這種獨特的機製是由於氧化鋅中的自由電子造成的。”

  該團隊的二維磁體的厚度只有一張紙的百萬分之一,可以彎曲成幾乎任何形狀。該技術的一個有前途的應用在於數據存儲。今天使用的存儲設備依賴於非常薄的磁性薄膜,但仍然是三維的,測量起來有數百或數千個原子厚。更薄的磁體,特別是只有一個原子厚的磁體,將使數據能夠以更高的密度存儲。

  這種材料通過允許觀察單個磁性原子和它們之間的相互作用,還能在量子物理學領域實現新的研究模式。另一種可能性涉及自旋電子學領域,其中電子的自旋而不是其電荷將被用於存儲和操縱數據,科學家們想像二維磁體可以構成一個促進這些過程的緊湊設備的一部分。

  研究共同作者Robert Birgeneau說:“我相信,在室溫下發現這種新的、堅固的、真正的二維磁體是一個真正的突破。”

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