Lo sviluppo di un magnete ultrasottile che opera a temperatura ambiente potrebbe portare a nuove applicazioni nel campo dell'informatica e dell'elettronica, come ad alta densità, dispositivi di memoria spintronici compatti e nuovi strumenti per lo studio della fisica quantistica.

Il magnete ultrasottile, che è stato recentemente riportato sulla rivista Comunicazioni sulla natura , potrebbe fare grandi progressi nei ricordi di nuova generazione, informatica, spintronica, e fisica quantistica. È stato scoperto dagli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'energia e dell'UC Berkeley.

"Siamo i primi a realizzare un magnete 2-D a temperatura ambiente che è chimicamente stabile in condizioni ambientali, " ha detto l'autore senior Jie Yao, uno scienziato della facoltà nella divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e professore associato di scienza e ingegneria dei materiali presso l'Università di Berkeley.

"Questa scoperta è entusiasmante perché non solo rende possibile il magnetismo 2-D a temperatura ambiente, ma scopre anche un nuovo meccanismo per realizzare materiali magnetici 2-D, " ha aggiunto Rui Chen, uno studente laureato dell'Università di Berkeley nel gruppo di ricerca Yao e autore principale dello studio."

Il componente magnetico dei dispositivi di memoria odierni è tipicamente costituito da pellicole magnetiche sottili. Ma a livello atomico, questi film magnetici sono ancora tridimensionali, con uno spessore di centinaia o migliaia di atomi. Per decenni, i ricercatori hanno cercato modi per creare magneti 2-D più sottili e più piccoli e consentire quindi l'archiviazione dei dati a una densità molto più elevata.

I precedenti risultati nel campo dei materiali magnetici 2-D hanno portato a risultati promettenti. Ma questi primi magneti 2-D perdono il loro magnetismo e diventano chimicamente instabili a temperatura ambiente.

"I magneti 2-D all'avanguardia richiedono temperature molto basse per funzionare. Ma per ragioni pratiche, un data center deve funzionare a temperatura ambiente, " Yao ha detto. "In teoria, sappiamo che più piccolo è il magnete, maggiore è la potenziale densità di dati del disco. Il nostro magnete 2-D non è solo il primo che funziona a temperatura ambiente o superiore, ma è anche il primo magnete a raggiungere il vero limite del 2-D:è sottile come un singolo atomo!"

I ricercatori affermano che la loro scoperta consentirà anche nuove opportunità per studiare la fisica quantistica. "Il nostro magnete atomicamente sottile offre una piattaforma ottimale per sondare il mondo quantistico, " Yao ha detto. "Apre ogni singolo atomo per l'esame, che potrebbe rivelare come la fisica quantistica governi ogni singolo atomo magnetico e le interazioni tra di loro. Con un magnete sfuso convenzionale in cui la maggior parte degli atomi magnetici è profondamente sepolta all'interno del materiale, tali studi sarebbero piuttosto impegnativi da fare."

La realizzazione di un magnete 2-D in grado di sopportare il calore

I ricercatori hanno sintetizzato il nuovo magnete 2-D, chiamato magnete van der Waals all'ossido di zinco drogato con cobalto, da una soluzione di ossido di grafene, zinco, e cobalto. Solo poche ore di cottura in un forno da laboratorio convenzionale hanno trasformato la miscela in un singolo strato atomico di ossido di zinco con un'infarinatura di atomi di cobalto inseriti tra strati di grafene. In un ultimo passaggio, il grafene viene bruciato, lasciando dietro di sé solo un singolo strato atomico di ossido di zinco drogato con cobalto.

"Con il nostro materiale, non ci sono grandi ostacoli per l'industria nell'adottare il nostro metodo basato sulle soluzioni, " ha detto Yao. "È potenzialmente scalabile per la produzione di massa a costi inferiori".

Per confermare che il film 2-D risultante è spesso solo un atomo, Yao e il suo team hanno condotto esperimenti di microscopia elettronica a scansione presso la Molecular Foundry del Berkeley Lab per identificare la morfologia del materiale, e imaging al microscopio elettronico a trasmissione per sondare il materiale atomo per atomo.

Con la prova in mano che il loro materiale 2-D è spesso solo un atomo, i ricercatori sono passati alla sfida successiva che aveva confuso i ricercatori per anni:dimostrare un magnete 2-D che funziona con successo a temperatura ambiente.

Gli esperimenti a raggi X presso l'Advanced Light Source del Berkeley Lab hanno caratterizzato i parametri magnetici del materiale 2-D ad alta temperatura. Ulteriori esperimenti a raggi X presso la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource del SLAC National Accelerator Laboratory hanno verificato le strutture elettroniche e cristalline dei magneti 2-D sintetizzati. E al Centro per i materiali su nanoscala dell'Argonne National Laboratory, i ricercatori hanno ripreso la struttura cristallina e la composizione chimica del materiale 2-D utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione.

Nel complesso, gli esperimenti di laboratorio del gruppo di ricerca hanno mostrato che il sistema grafene-zinco-ossido diventa debolmente magnetico con una concentrazione del 5-6% di atomi di cobalto. Aumentando la concentrazione di atomi di cobalto a circa il 12% si ottiene un magnete molto forte.

Con grande sorpresa dei ricercatori, una concentrazione di atomi di cobalto superiore al 15% sposta il magnete 2-D in uno stato quantistico esotico di "frustrazione, " per cui diversi stati magnetici all'interno del sistema 2-D sono in competizione tra loro.

E a differenza dei precedenti magneti 2-D, che perdono il loro magnetismo a temperatura ambiente o superiore, i ricercatori hanno scoperto che il nuovo magnete 2-D non funziona solo a temperatura ambiente, ma anche a 100 gradi Celsius (212 gradi Fahrenheit).

"Il nostro sistema magnetico 2-D mostra un meccanismo distinto rispetto ai precedenti magneti 2-D, " ha detto Chen. "E pensiamo che questo meccanismo unico sia dovuto agli elettroni liberi nell'ossido di zinco".

Nord vero:gli elettroni liberi mantengono gli atomi magnetici in pista

Quando ordini al tuo computer di salvare un file, quell'informazione è immagazzinata come una serie di uno e zero nella memoria magnetica del computer, come il disco rigido magnetico o una memoria flash. E come tutti i magneti, i dispositivi di memoria magnetica contengono magneti microscopici con due poli:nord e sud, i cui orientamenti seguono la direzione di un campo magnetico esterno. I dati vengono scritti o codificati quando questi minuscoli magneti vengono capovolti nelle direzioni desiderate.

Secondo Chen, Gli elettroni liberi dell'ossido di zinco potrebbero fungere da intermediario che garantisce che gli atomi di cobalto magnetico nel nuovo dispositivo 2-D continuino a puntare nella stessa direzione, e quindi rimangano magnetici, anche quando l'ospite, in questo caso l'ossido di zinco semiconduttore, è un materiale non magnetico.

"Gli elettroni liberi sono costituenti delle correnti elettriche. Si muovono nella stessa direzione per condurre elettricità, "Yao ha aggiunto, confrontando il movimento degli elettroni liberi nei metalli e nei semiconduttori con il flusso delle molecole d'acqua in un flusso d'acqua.

I ricercatori affermano che il nuovo materiale, che può essere piegato in quasi tutte le forme senza rompersi, ed è 1 milionesimo dello spessore di un singolo foglio di carta, potrebbe aiutare a far progredire l'applicazione dell'elettronica di spin o della spintronica, una nuova tecnologia che utilizza l'orientamento dello spin di un elettrone piuttosto che la sua carica per codificare i dati. "Il nostro magnete 2-D può consentire la formazione di dispositivi spintronici ultracompatti per progettare gli spin degli elettroni, " disse Chen.

"Credo che la scoperta di questo nuovo, robusto, il magnete veramente bidimensionale a temperatura ambiente è una vera svolta di Jie Yao e dei suoi studenti, " ha detto il co-autore Robert Birgeneau, uno scienziato senior della facoltà nella divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e professore di fisica all'Università di Berkeley che ha co-diretto le misurazioni magnetiche dello studio. "Oltre al suo ovvio significato per i dispositivi spintronici, questo magnete 2-D è affascinante a livello atomico, rivelando per la prima volta come gli atomi magnetici di cobalto interagiscono su "lunghe" distanze" attraverso una complessa rete bidimensionale, Ha aggiunto.

"I nostri risultati sono persino migliori di quanto ci aspettassimo, che è davvero emozionante. Il più delle volte nella scienza, gli esperimenti possono essere molto impegnativi, " disse. "Ma quando finalmente realizzi qualcosa di nuovo, è sempre molto appagante".