Ученые из Калифорнийского университета в Беркли создали ультратонкую пластину — магнит, который работает при комнатной температуре.

Она открывает возможности для развития новых технологий, в частности устройств памяти, а также для исследований в области ферромагнетизма и квантовой физики.

Авторы разработки отмечают, что это огромный шаг вперед по сравнению с предыдущими попытками создать двумерный магнит, который терял свой магнетизм и стабильность при удалении из ультрахолодных условий.

«Мы первые, кто создал 2D-магнит при комнатной температуре, который является химически стабильным в условиях окружающей среды. 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 одиночный атом», – Цзе Яо, соавтор разработки.

Это удивительное достижение было сделано с использованием материала, который называется ван-дер-ваальсовым оксидом цинка, легированным кобальтом. Как следует из названия, он создан из оксида графена, цинка и кобальта. Оксид графена погружен в дигидраты ацетата цинка и кобальта, соотношение которых тщательно сбалансировано.

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 команда использовала сканирующую электронную микроскопию, чтобы подтвердить одноатомную толщину структуры, и просвечивающую электронную микроскопию, чтобы отобразить кристаллическую структуру и состав, атом за атомом.

Полученная двумерная пленка оказалась магнитной, но именно то, насколько она магнитная, зависит от количества кобальта, рассеянного среди оксида цинка. Ученые последовательно увеличивали магнетизм материала с 5 до 15%. В последнем случае пленка стала настолько магнитной, что локализованные спины внутри материала начали конкурировать друг с другом, поэтому оптимальным показателем магнитности была признана цифра в 12%.

Интересно, что пленка оставалась магнитной и химически стабильной не только при комнатной температуре, но и до температуры 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. И мы думаем, что этот уникальный механизм связан с наличием свободных электронов в оксиде цинка», – Руи Чен, соавтор разработки.

Электроны — это, помимо прочего, очень мельчайшие магниты. У каждого электрона есть северный и южный магнитные полюса и собственное крошечное магнитное поле. В большинстве материалов магнитная ориентация электронов компенсирует 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 работать как посредники, которые удерживают магнитные атомы кобальта в пленке в одном направлении даже при высоких температурах.

Сама пленка гибкая, а ее производство масштабируемо, а это значит, что возможности нового материала безграничны. Его можно использовать для производства легких и гибких запоминающих устройств, которые полагаются на изменение ориентации магнитного поля для кодирования двоичных данных.