Crean el imán más delgado del mundo: un átomo de espesor, para revolucionar los sistemas de almacenamiento

Científicos de Berkeley han fabricado el primer imán ultrafino de espesor atómico a temperatura ambiente, con aplicación en la emergente memoria espintrónica de alta densidad y la física cuántica.

El componente magnético de los dispositivos de memoria actuales suele estar hecho de películas delgadas magnéticas. Pero a nivel atómico, estas películas magnéticas siguen siendo tridimensionales: cientos o miles de átomos de espesor. Durante décadas, los investigadores han buscado formas de hacer imanes 2D más delgados y pequeños y, por lo tanto, permitir que los datos se almacenen a una densidad mucho mayor.

Los logros anteriores en el campo de los materiales magnéticos bidimensionales han arrojado resultados prometedores. Pero estos primeros imanes 2D pierden su magnetismo y se vuelven químicamente inestables a temperatura ambiente.

“Los imanes 2D de última generación necesitan temperaturas muy bajas para funcionar. Pero por razones prácticas, un centro de datos debe funcionar a temperatura ambiente”, dijo el primer autor Jie Yao. un científico de la facultad en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de California Berkeley.

“En teoría, sabemos que cuanto más pequeño es el imán, mayor es la densidad de datos potenciales del disco. Nuestro imán 2D no solo es el primero que funciona a temperatura ambiente o superior, sino que también es el primer imán en alcanzar el verdadero 2- Límite D: ¡Es tan delgado como un solo átomo! "

Los investigadores dicen que su descubrimiento también permitirá nuevas oportunidades para estudiar la física cuántica. "Nuestro imán atómicamente delgado ofrece una plataforma óptima para sondear el mundo cuántico", dijo Yao en un comunicado. "Abre cada átomo para su examen, lo que puede revelar cómo la física cuántica gobierna cada átomo magnético y las interacciones entre ellos. Con un imán a granel convencional donde la mayoría de los átomos magnéticos están profundamente enterrados dentro del material, tales estudios serían bastante desafiante de hacer ".

Los investigadores sintetizaron el nuevo imán 2D, llamado imán de óxido de zinc de van der Waals dopado con cobalto, a partir de una solución de óxido de grafeno, zinc y cobalto. Solo unas pocas horas de cocción en un horno de laboratorio convencional transformaron la mezcla en una sola capa atómica de óxido de zinc con un puñado de átomos de cobalto intercalados entre capas de grafeno. En un paso final, el grafeno se quema, dejando solo una capa atómica de óxido de zinc dopado con cobalto.

“Con nuestro material, no existen obstáculos importantes para que la industria adopte nuestro método basado en soluciones”, dijo Yao. “Es potencialmente escalable para la producción en masa a costos más bajos”.

Para confirmar que la película 2D resultante tiene solo un átomo de espesor, Yao y su equipo llevaron a cabo experimentos de microscopía electrónica de barrido en la fundición molecular de Berkeley Lab para identificar la morfología del material y obtener imágenes de microscopía electrónica de transmisión para sondear el material átomo por átomo.

Con la prueba en la mano de que su material 2D realmente tiene solo un átomo de espesor, los investigadores pasaron al siguiente desafío que había confundido a los investigadores durante años: demostrar un imán 2D que funciona con éxito a temperatura ambiente.

Los experimentos de rayos X en la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab caracterizaron los parámetros magnéticos del material 2D a alta temperatura. Experimentos de rayos X adicionales en la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford del Laboratorio Nacional de Aceleración de SLAC verificaron las estructuras electrónicas y cristalinas de los imanes 2D sintetizados. Y en el Centro de Materiales a Nanoescala del Laboratorio Nacional Argonne, los investigadores tomaron imágenes de la estructura cristalina y la composición química del material 2D utilizando microscopía electrónica de transmisión.

En conjunto, los experimentos de laboratorio del equipo de investigación mostraron que el sistema de óxido de zinc-grafeno se vuelve débilmente magnético con una concentración de 5-6% de átomos de cobalto. El aumento de la concentración de átomos de cobalto a aproximadamente el 12% da como resultado un imán muy fuerte.

Para sorpresa de los investigadores, una concentración de átomos de cobalto superior al 15% desplaza el imán 2D a un exótico estado cuántico de "frustración", en el que diferentes estados magnéticos dentro del sistema 2D compiten entre sí.

Y a diferencia de los imanes 2D anteriores, que pierden su magnetismo a temperatura ambiente o superior, los investigadores encontraron que el nuevo imán 2D no solo funciona a temperatura ambiente sino también a 100 grados Celsius.

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