Un trozo de material de un solo átomo de espesor está batiendo récords.
La oblea ultrafina es un imán que funciona a temperatura ambiente, lo que abre vías para el desarrollo de la tecnología, en particular los dispositivos de memoria, y para la investigación del ferromagnetismo y la física cuántica.
Es un gran paso adelante con respecto a los intentos anteriores de hacer un imán 2D, que han perdido su magnetismo y estabilidad cuando se retiran de condiciones ultrafrías.
“Somos los primeros en fabricar un imán 2D a temperatura ambiente que es químicamente estable en condiciones ambientales”. dijo el científico de materiales Jie Yao de la Universidad de California Berkeley.
“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. Nuestro imán 2D no solo es el primero que funciona a temperatura ambiente o superior, sino que es también el primer imán en alcanzar el límite 2D real: ¡es tan delgado como un solo átomo! “
Este asombroso logro se logró utilizando un material llamado óxido de zinc de van der Waals dopado con cobalto. Como sugiere el nombre, se crea combinando grafeno óxido, zinc y cobalto. El óxido de grafeno se sumerge en acetato dihidratado de zinc y cobalto, cuyas proporciones se mid en cuidadosamente.
Cuando se hornea al vacío, esta mezcla se enfría lentamente en una sola capa de óxido de zinc intercalado con átomos de cobalto, intercalados entre capas de grafeno. Un paso de horneado en el aire quema el grafeno, dejando la capa única de óxido de zinc dopado con cobalto.
Luego, el equipo utilizó microscopía electrónica de barrido para confirmar el grosor de un solo átomo de la estructura y microscopía electrónica de transmisión para obtener imágenes de la estructura y composición del cristal, átomo por átomo.
Ilustración de acoplamiento magnético en el material. (Laboratorio de Berkeley)
Se descubrió que la película 2D resultante era magnética, pero exactamente su grado de magnetismo dependía de la cantidad de cobalto esparcido entre el óxido de zinc. Alrededor del 5 al 6 por ciento, el magnetismo era bastante débil. Duplicado a aproximadamente el 12 por ciento, el material se volvió muy magnético.
Al 15 por ciento, el material era tan fuertemente magnético que los giros localizados dentro del material comenzaron a competir entre sí, una condición conocida como frustración. Esto puede obstaculizar el orden magnético dentro de un sistema, por lo que parece que alrededor del 12 por ciento es el punto óptimo del cobalto.
Curiosamente, la película se mantuvo magnética y químicamente estable no solo a temperatura ambiente, sino hasta temperaturas de alrededor de 100 grados Celsius (212 grados Fahrenheit), aunque el óxido de zinc no es un ferromagnético material.
“Nuestro sistema magnético 2D muestra un mecanismo distinto en comparación con los imanes 2D anteriores”. dijo el científico de materiales y primer autor del estudio, Rui Chen de UC Berkeley. “Y creemos que este mecanismo único se debe a los electrones libres en el óxido de zinc”.
Los electrones son, entre otras cosas, muy pequeños imanes. Cada electrón tiene un polo magnético norte y sur y su propio campo magnético diminuto. En la mayoría de los materiales, las orientaciones magnéticas de los electrones se cancelan entre sí, pero en los materiales ferromagnéticos, los electrones se agrupan. en dominios donde todos tienen la misma orientación magnética. En un material magnético, todos los dominios están orientados en la misma dirección.
Los electrones libres son aquellos que no están unidos al núcleo de un átomo. Los investigadores creen que los electrones libres en el óxido de zinc podrían estar funcionando como intermediarios que mantienen a los átomos de cobalto magnético en la película orientados en la misma dirección, incluso a altas temperaturas.
Sin duda, es algo que merece una mayor investigación, especialmente porque podría abrir muchas nuevas vías para el desarrollo de la tecnología y la investigación. La película en sí es flexible y su fabricación escalable, lo que significa que las posibilidades son deslumbrantes.
Una vía es estudiar las interacciones magnéticas entre átomos, lo que tiene implicaciones para la física cuántica. Otro es la espintrónica, el estudio del espín de los electrones. También podría usarse para fabricar dispositivos de memoria livianos y flexibles, que se basan en cambiar la orientación del campo magnético para codificar datos binarios.
Los análisis y cálculos futuros ayudarán a comprender mejor las limitaciones del material.
“Nuestros resultados son incluso mejores de lo que esperábamos, lo cual es realmente emocionante. La mayor parte del tiempo en la ciencia, los experimentos pueden ser muy desafiantes”. Yao dijo. “Pero cuando finalmente te das cuenta de algo nuevo, siempre es muy satisfactorio”.
La investigación ha sido publicada en Comunicaciones de la naturaleza.
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