I ricercatori della Cornell sono diventati i primi a controllare magneti atomicamente sottili con un campo elettrico, una svolta che fornisce un modello per la produzione di archiviazione dati eccezionalmente potente ed efficiente nei chip dei computer, tra le altre applicazioni.

La ricerca è dettagliata nel documento, "Commutazione del campo elettrico di magneti van der Waals bidimensionali, " pubblicato in Materiali della natura di Jie Shan, professore di fisica applicata e ingegneristica; Kin Fai Mak, assistente professore di fisica; e lo studioso postdottorato Shengwei Jiang.

Nel 1966, Il fisico di Cornell David Mermin e il suo postdoc Herbert Wagner hanno teorizzato che i magneti 2-D non potrebbero esistere se gli spin dei loro elettroni potessero puntare in qualsiasi direzione. Solo nel 2017 sono stati scoperti alcuni dei primi materiali 2-D con il corretto allineamento degli spin, aprendo le porte a una famiglia di materiali completamente nuova nota come magneti van der Waals 2-D.

Shan e Mak, specializzati nella ricerca di materiali atomicamente sottili, colto al volo l'opportunità di ricercare i nuovi magneti e le loro caratteristiche uniche.

"Se è un materiale sfuso, non puoi accedere facilmente agli atomi all'interno, " disse Mak. "Ma se il magnete è solo un monostrato, ci puoi fare molto. Puoi applicare un campo elettrico ad esso, mettere elettroni in più in esso, e che può modulare le proprietà del materiale."

Utilizzando un campione di triioduro di cromo, il team di ricerca ha deciso di fare proprio questo. Il loro obiettivo era applicare una piccola quantità di tensione per creare un campo elettrico e controllare il magnetismo del composto 2-D, dando loro la possibilità di accenderlo e spegnerlo.

Per realizzare questo, hanno impilato due strati atomici di triioduro di cromo con dielettrici ed elettrodi di gate atomicamente sottili. Questo ha creato un dispositivo ad effetto di campo che potrebbe invertire la direzione dello spin elettronico negli strati di triioduro di cromo usando piccole tensioni di gate, attivando la commutazione magnetica. Il processo è reversibile e ripetibile a temperature inferiori a 57 gradi Kelvin.

La scoperta è importante per il futuro dell'elettronica perché "la maggior parte della tecnologia esistente si basa sulla commutazione magnetica, come nei dispositivi di memoria che registrano e memorizzano dati, " disse Shan. Tuttavia, i magneti nella maggior parte dell'elettronica moderna non rispondono a un campo elettrico. Anziché, una corrente viene fatta passare attraverso una bobina, creando un campo magnetico che può essere utilizzato per accendere e spegnere il magnete. È un metodo inefficiente perché la corrente crea calore e consuma energia elettrica.

I magneti bidimensionali al triioduro di cromo hanno un vantaggio unico in quanto un campo elettrico può essere applicato direttamente per attivare la commutazione, ed è necessaria pochissima energia.

"Il processo è anche molto efficace perché se hai uno spessore nanometrico e applichi solo un volt, il campo è già 1 volt per nanometro. È enorme, " disse Shan.

Il team di ricerca prevede di continuare a esplorare i magneti 2-D e spera di formare nuove collaborazioni intorno al campus, anche con scienziati e ingegneri che possono aiutarli a trovare nuovi materiali magnetici 2-D che, a differenza del triioduro di cromo, può funzionare a temperatura ambiente.

"In un senso, quello che abbiamo dimostrato qui è più simile a un concetto di dispositivo, " ha detto Mak. "Quando troviamo il giusto tipo di materiale che può funzionare a una temperatura più alta, possiamo applicare immediatamente questa idea a quei materiali. Ma non c'è ancora".