Создан самый тонкий магнит в мире — всего в один атом толщиной

Совершив прорыв, который может открыть новые захватывающие возможности в вычислениях и электронике, ученые разработали двумерный магнитный материал, который является самым тонким в мире. Толщина магнита составляет всего один атом, и, в отличие от аналогичных материалов, разработанных ранее, он может работать при комнатной температуре, что, среди прочего, может позволить хранить данные с гораздо более высокой плотностью.

Идентификация двумерных материалов с магнитными свойствами — это то, чего ученые достигли ранее. В 2017 году было проведено исследование ферромагнитного материала под названием трииодид хрома, который, как выяснили ученые, можно измельчить до монослоя толщиной в один атом, сохраняя при этом магнетизм.

Ученые из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли и Калифорнийского университета работали над устранением одного из недостатков таких ранее разработанных 2D-магнитов, а именно нестабильности при комнатной температуре, из-за которой они теряют свой магнетизм. Пока это ограничивало практичность технологии, но теперь исследователи нашли многообещающий путь вперед.

«Современные двумерные магниты для работы нуждаются в очень низких температурах, — объясняют исследователи. — Но по практическим соображениям центр обработки данных должен работать при комнатной температуре. Наш 2D-магнит — это не только первый магнит, работающий при комнатной температуре или выше, но и первый магнит, достигший истинного 2D-предела: он такой же тонкий, как одиночный атом».

Ученые начали со смеси оксида графена, цинка и кобальта, которая была запечена в лаборатории и преобразована в слой оксида цинка с разбрызгиванием атомов кобальта. Толщина этого слоя составляла всего один атом. Этот слой был зажат между двумя слоями графена, которые затем были выжжены, оставив после себя магнитную 2D-пленку.

В ходе последующих экспериментов команда обнаружила, что магнетизм можно изменить, изменив нужное количество кобальта в материале. Концентрация пяти или шести процентов атомов кобальта приводила к относительно слабому магниту, а повышение концентрации до 12 процентов создавало очень сильный магнит. Увеличение его до 15 процентов привело к тому, что ученые называют квантовым состоянием «разочарования», когда конфликтующие магнитные состояния в материале конкурируют друг с другом.

Важно отметить, что в отличие от более ранних 2D-магнитов, материал сохранял свои магнитные свойства не только при комнатной температуре, но и при температурах до 100 ° C.

Двухмерный магнит в миллион раз тоньше листа бумаги, и его можно согнуть 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 спин электронов, а не их заряд будет использоваться для хранения и обработки данных, а ученые предполагают, что 2D-магнит может стать частью компактного устройства, которое облегчает эти процессы.

«Я считаю, что открытие этого нового, надежного, действительно двумерного магнита при комнатной температуре является настоящим прорывом», — говорит соавтор работы Роберт Бирджено.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.