Electricidad

El desarrollo de un imán ultrafino que funciona a temperatura ambiente podría dar lugar a nuevas aplicaciones en informática y electrónica, como dispositivos de memoria espintrónica compactos de alta densidad, y nuevas herramientas para el estudio de la física cuántica.

El imán ultrafino, que se informó recientemente en la revista Comunicaciones de la naturaleza , podría hacer grandes avances en memorias de próxima generación, computación, espintrónica y física cuántica. Fue descubierto por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) y UC Berkeley.

“Somos los primeros en hacer un imán 2D a temperatura ambiente que sea químicamente estable en condiciones ambientales”, dijo el autor principal. Jie Yao, científico de la facultad en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en UC Berkeley.

“Este descubrimiento es emocionante porque no solo hace que el magnetismo 2D sea imposible a temperatura ambiente, sino que también descubre un nuevo mecanismo para realizar materiales magnéticos 2D”, agregó Rui Chen, estudiante graduado de UC Berkeley en el Grupo de Investigación Yao y autor principal del estudio. . “

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 2D 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 Yao. “En teoría, sabemos que cuanto más pequeño es el imán, mayor es la densidad de datos potencial 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 límite 2D real: ¡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. “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, estos estudios serían bastante difíciles de realizar ”.

La fabricación de un imán 2D que puede soportar el calor.

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 el laboratorio de Berkeley. Fundición molecular 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.

Experimentos de rayos X en Berkeley Lab’s Fuente de luz avanzada caracterizó 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 Aceleradores 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 en 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 (212 grados Fahrenheit).

“Nuestro sistema magnético 2D muestra un mecanismo distinto en comparación con los imanes 2D anteriores”, dijo Chen. “Y creemos que este mecanismo único se debe a los electrones libres en el óxido de zinc”.

Norte verdadero: los electrones libres mantienen los átomos magnéticos en la pista

Cuando le ordena a su computadora que guarde un archivo, esa información se almacena como una serie de unos y ceros en la memoria magnética de la computadora, como el disco duro magnético o una memoria flash. Y como todos los imanes, los dispositivos de memoria magnética contienen imanes microscópicos con dos polos, norte y sur, cuyas orientaciones siguen la dirección de un campo magnético externo. Los datos se escriben o codifican cuando estos pequeños imanes se giran en las direcciones deseadas.

Según Chen, los electrones libres del óxido de zinc podrían actuar como un intermediario que garantice que los átomos de cobalto magnéticos en el nuevo dispositivo 2D continúen apuntando en la misma dirección, y por lo tanto permanezcan magnéticos, incluso cuando el anfitrión, en este caso el óxido de zinc semiconductor, es un material no magnético.

“Los electrones libres son componentes de corrientes eléctricas. Se mueven en la misma dirección para conducir la electricidad ”, agregó Yao, comparando el movimiento de electrones libres en metales y semiconductores con el flujo de moléculas de agua en una corriente de agua.

Los investigadores dicen que el nuevo material, que se puede doblar en casi cualquier forma sin romperse, y tiene una millonésima parte del grosor de una sola hoja de papel, podría ayudar a avanzar en la aplicación de la electrónica de espín o la espintrónica, una nueva tecnología que utiliza la orientación de el espín de un electrón en lugar de su carga para codificar datos. “Nuestro imán 2D puede permitir la formación de dispositivos espintrónicos ultracompactos para diseñar los espines de los electrones”, dijo Chen.

“Creo que el descubrimiento de este imán nuevo, robusto y verdaderamente bidimensional a temperatura ambiente es un avance genuino de Jie Yao y sus estudiantes”, dijo el coautor Robert Birgeneau, científico senior de la facultad de la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y profesor de física en UC Berkeley, quien codirigió las mediciones magnéticas del estudio. “Además de su importancia obvia para los dispositivos espintrónicos, este imán 2D es fascinante a nivel atómico, revelando por primera vez cómo los átomos magnéticos de cobalto interactúan en distancias ‘largas’” a través de una compleja red bidimensional, agregó.

“Nuestros resultados son incluso mejores de lo que esperábamos, lo cual es realmente emocionante. La mayor parte del tiempo en ciencia, los experimentos pueden ser muy desafiantes ”, dijo. “Pero cuando finalmente te das cuenta de algo nuevo, siempre es muy gratificante”.