Толщиной в атом. Ученые создали самый тонкий магнит в мире

Ультратонкая пластина — это магнит, который работает при комнатной температуре, открывая возможности для развития технологий, в частности устройств памяти, а также для исследований ферромагнетизма и квантовой физики. Это огромный шаг вперед по сравнению с предыдущими попытками создать двумерный магнит, который потерял свой магнетизм и стабильность при перемещении из ультрахолодных условий, сообщает Sciencealert

"Мы первыми создали 2D-магнит, работающий при комнатной температуре, который является химически стабильным в условиях окружающей среды", — говорит материаловед Цзе Яо из Калифорнийского университета в Беркли.

"Современные 2D-магниты для работы нуждаются в очень низких температурах. Но по практическим соображениям центр обработки данных должен работать при комнатной температуре. Наш 2D-магнит — не только первый, который работает при комнатной температуре или выше, но и также является первым магнитом, достигшим истинного 2D-предела: он такой же тонкий, как один атом!"

Таких результатов ученые достигли с использованием материала, который называется ван-дер-ваальсовым оксидом цинка, легированным кобальтом. Он создан из оксида графена, цинка и кобальта. Оксид графена погружен в дигидраты ацетата цинка и кобальта, соотношение которых тщательно измеряется.

При запекании в вакууме эта смесь медленно остывает, образуя единственный слой оксида цинка с вкраплениями атомов кобальта, расположенный между слоями графена. На этапе запекания на воздухе графен выгорает, оставляя единственный слой оксида цинка, легированного кобальтом.

Затем ученые использовали сканирующую электронную микроскопию, чтобы подтвердить одноатомную толщину структуры, и передающую электронную микроскопию, чтобы изобразить кристаллическую структуру и состав, атом за атомом.

Полученная двумерная пленка оказалась магнитной, но насколько она магнитная, зависит от количества кобальта, рассеянного среди оксида цинка. При 5 — 6 процентах магнетизм был довольно слабым. Когда количество увеличили до 12 процентов, материал стал сильно магнитным.

Интересно, что пленка оставалась магнитной и химически стабильной не только при комнатной температуре, но и при температуре около 100 градусов по Цельсию, хотя оксид цинка не является ферромагнитным материалом.

"Наша двумерная магнитная система демонстрирует особый механизм по сравнению с предыдущими двумерными магнитами", — говорит материаловед Руи Чен из Калифорнийского университета в Беркли. "И мы думаем, что этот уникальный механизм связан с наличием свободных электронов в оксиде цинка".

Электроны — это, помимо прочего, очень маленькие магниты. У каждого электрона есть северный и южный магнитные полюса и собственное крошечное магнитное поле. В большинстве материалов магнитные ориентации электронов компенсируют друг друга, но в ферромагнитных материалах электроны группируются вместе в доменах, где все они имеют одинаковую магнитную ориентацию. В магнитном материале все домены ориентированы в одном направлении.

Свободные электроны — это электроны, не прикрепленные к ядру атома. Исследователи полагают, что свободные электроны в оксиде цинка могут действовать как посредники, которые удерживают магнитные атомы кобальта в пленке в одном направлении даже при высоких температурах.

Эти результаты, безусловно, требуют дальнейшего исследования, тем более, что они могут открыть много новых возможностей для развития технологий, говорят ученые.