Первый в мире 2D-магнит толщиной в один атом стабилен даже при 100 градусах Цельсия
Поиск двумерных материалов с магнитными свойствами — это одна из перспективных областей современной науки. В 2017 году ученые уже публиковали исследование ферромагнитного материала под названием трииодид хрома, который, как выяснилось, можно измельчить до монослоя толщиной в один атом, сохранив при этом магнетизм.
Ученые из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и Калифорнийского университета в Беркли работают над устранением одного из недостатков таких 2D-магнитов, а именно нестабильности при комнатной температуре, из-за которой они теряют свои магнитные свойства. До сих пор это ограничивало практичность технологии, но теперь исследователи нашли многообещающий способ решения проблемы.
«Современные двумерные магниты нуждаются в очень низких температурах, — объясняет старший автор Цзе Яо. — Но по практическим соображениям центр обработки данных должен работать при комнатной температуре. Наш 2D-магнит — это не только первый магнит, работающий при таких условиях, но и первый магнит, достигший истинной двухмерности: его толщина составляет всего лишь один атом!»
Ученые начали со смеси оксида графена, цинка и кобальта, которая была запечена в лаборатории и преобразована в слой оксида цинка, по которому были хаотично разбросаны атомы кобальта. Толщина этого слоя составляла всего один атом. Этот слой был зажат между двумя слоями графена, которые полностью сгорели в процессе, оставив после себя магнитную 2D-пленку.
В ходе последующих экспериментов команда обнаружила, что магнетизмом можно управлять, изменив количество кобальта в материале. Концентрация в размере 5-6% процентов атомов кобальта приводила к относительно слабому магниту, а повышение концентрации до 12% процентов создавало очень сильный магнит. Увеличение количества кобальта до 15% привело к тому, что ученые называют квантовым состоянием «разочарования», когда конфликтующие магнитные состояния в материале конкурируют друг с другом.
Важно отметить, что команда обнаружила, что в отличие от предыдущих версий 2D-магнитов, новый материал сохранял свои магнитные свойства при температурах до 100 °C – случай совершенно беспрецедентный.
Двухмерный магнит в миллион раз тоньше листа бумаги, а потому может быть согнут практически в любую форму. Одно из многообещающих приложений этой технологии — хранение данных. Устройства памяти, используемые сегодня, основаны на очень тонких магнитных пленках, которые остаются трехмерными и имеют толщину в сотни или тысячи атомов. Более тонкие магниты, особенно магниты толщиной всего в один атом, позволят хранить данные с гораздо большей плотностью.
Этот материал также открывает новые возможности для изучения мира квантовой физики, позволяя наблюдать отдельные магнитные атомы и взаимодействия между ними. Другая возможность касается области спинтроники, где уже спин электронов, а не их заряд будет использоваться для хранения и обработки данных. Ученые предполагают, что 2D-магнит может стать частью компактного устройства, которое облегчает эти процессы.
Толщина магнита составляет всего один атом, и, в отличие от аналогичных материалов, он может работать при комнатной температуре – это позволит позволить хранить данные с гораздо более высокой плотностью