Magnet Illustration 2
Thông tin công nghệ

Điểm thu hút chính: Các nhà khoa học tạo ra nam châm mỏng nhất thế giới – Dày chỉ bằng một nguyên tử!

Tín dụng: Marilyn Sargent / Berkeley Lab

Một nam châm 2D mỏng một nguyên tử được phát triển bởi Berkeley Lab và UC Berkeley có thể thúc đẩy các ứng dụng mới trong máy tính và điện tử.

Sự phát triển của nam châm siêu mỏng hoạt động ở nhiệt độ phòng có thể dẫn đến các ứng dụng mới trong máy tính và điện tử – chẳng hạn như thiết bị nhớ spintronic mật độ cao, nhỏ gọn – và các công cụ mới để nghiên cứu vật lý lượng tử.

Nam châm siêu mỏng, được báo cáo gần đây trên tạp chí Nature Communications , có thể tạo ra những bước tiến lớn trong các thiết bị bộ nhớ thế hệ mới, máy tính, spintronics và vật lý lượng tử. Nó được phát hiện bởi các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley của Bộ Năng lượng (Berkeley Lab) và UC Berkeley.

“Chúng tôi là người đầu tiên tạo ra một nam châm 2D ở nhiệt độ phòng, ổn định về mặt hóa học trong các điều kiện môi trường xung quanh,” tác giả cấp cao Jie Yao, một nhà khoa học tại Phòng Khoa học Vật liệu của Phòng thí nghiệm Berkeley và là phó giáo sư khoa học và kỹ thuật vật liệu tại UC Berkeley cho biết.

“Khám phá này rất thú vị vì nó không chỉ làm cho từ tính 2D có thể ở nhiệt độ phòng mà còn khám phá ra một cơ chế mới để nhận ra các vật liệu từ tính 2D,” Rui Chen, một sinh viên tốt nghiệp UC Berkeley trong Nhóm nghiên cứu Yao và là tác giả chính của cuốn sách. học.

Thành phần từ tính của các thiết bị nhớ ngày nay thường được làm bằng các màng mỏng từ tính. Nhưng ở cấp độ nguyên tử, những vật liệu này vẫn là ba chiều – dày hàng trăm hoặc hàng nghìn nguyên tử. Trong nhiều thập kỷ, các nhà nghiên cứu đã tìm cách chế tạo nam châm 2D mỏng hơn và nhỏ hơn và do đó cho phép dữ liệu được lưu trữ ở mật độ cao hơn nhiều.

Những thành tựu trước đây trong lĩnh vực vật liệu từ tính 2D đã mang lại những kết quả đầy hứa hẹn. Nhưng những nam châm 2D ban đầu này mất từ tính và trở nên không ổn định về mặt hóa học ở nhiệt độ phòng.

“Nam châm 2D tiên tiến cần nhiệt độ rất thấp để hoạt động. Nhưng vì những lý do thực tế, một trung tâm dữ liệu cần phải chạy ở nhiệt độ phòng, ”Yao nói. “Nam châm 2D của chúng tôi không chỉ là nam châm đầu tiên hoạt động ở nhiệt độ phòng hoặc cao hơn mà còn là nam châm đầu tiên đạt đến giới hạn 2D thực sự: Nó mỏng như một nguyên tử!”

Các nhà nghiên cứu nói rằng khám phá của họ cũng sẽ tạo cơ hội mới để nghiên cứu vật lý lượng tử. Yao nói: “Nó mở ra từng nguyên tử để kiểm tra, điều này có thể tiết lộ cách vật lý lượng tử điều khiển từng nguyên tử từ tính và tương tác giữa chúng,” Yao nói.

Việc tạo ra một nam châm 2D có thể lấy nhiệt

Các nhà nghiên cứu đã tổng hợp nam châm 2D mới – được gọi là nam châm oxit kẽm van der Waals pha tạp coban – từ dung dịch graphene oxit, kẽm và coban.

Chỉ vài giờ nướng trong lò phòng thí nghiệm thông thường đã biến đổi hỗn hợp này thành một lớp kẽm-oxit đơn nguyên tử với một số nguyên tử coban nằm giữa các lớp graphene.

Ở bước cuối cùng, graphene bị đốt cháy đi, chỉ để lại một lớp kẽm oxit pha tạp chất coban đơn nguyên tử.

Hình minh họa về ghép từ trong một lớp kẽm oxit pha tạp coban. Các quả cầu màu đỏ, xanh lam và vàng lần lượt đại diện cho các nguyên tử coban, oxy và kẽm. Tín dụng: Berkeley Lab

Yao cho biết: “Với vật liệu của chúng tôi, không có trở ngại lớn nào để ngành công nghiệp áp dụng phương pháp dựa trên giải pháp của chúng tôi. “Nó có khả năng mở rộng để sản xuất hàng loạt với chi phí thấp hơn.”

Để xác nhận rằng bộ phim 2D thu được chỉ dày một nguyên tử, Yao và nhóm của ông đã tiến hành các thí nghiệm quét bằng kính hiển vi điện tử tại Xưởng đúc phân tử của Phòng thí nghiệm Berkeley để xác định hình thái của vật liệu và chụp ảnh bằng kính hiển vi điện tử (TEM) để thăm dò nguyên tử của vật liệu.

Các thí nghiệm tia X tại Nguồn sáng tiên tiến của Berkeley Lab đã mô tả các thông số từ tính của vật liệu 2D dưới nhiệt độ cao.

Các thí nghiệm tia X bổ sung tại Nguồn sáng bức xạ Synchrotron của Phòng thí nghiệm Gia tốc Quốc gia SLAC đã xác minh cấu trúc điện tử và tinh thể của nam châm 2D tổng hợp. Và tại Trung tâm Vật liệu kích thước nano của Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne, các nhà nghiên cứu đã sử dụng TEM để hình ảnh cấu trúc tinh thể và thành phần hóa học của vật liệu 2D.

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng hệ thống graphene-zinc-oxide trở nên có từ tính yếu với nồng độ 5-6% nguyên tử coban. Tăng nồng độ nguyên tử coban lên khoảng 12% sẽ tạo ra một nam châm rất mạnh.

Trước sự ngạc nhiên của họ, nồng độ nguyên tử coban vượt quá 15% sẽ chuyển nam châm 2D sang trạng thái lượng tử kỳ lạ của “sự thất vọng”, theo đó các trạng thái từ tính khác nhau trong hệ thống 2D cạnh tranh với nhau.

Và không giống như các nam châm 2D trước đây, mất từ tính ở nhiệt độ phòng hoặc cao hơn, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng nam châm 2D mới không chỉ hoạt động ở nhiệt độ phòng mà còn ở 100 độ C (212 độ F).

Chen cho biết: “Hệ thống từ tính 2D của chúng tôi cho thấy một cơ chế khác biệt so với các nam châm 2D trước đây. “Và chúng tôi nghĩ rằng cơ chế độc đáo này là do các điện tử tự do trong oxit kẽm.”

Hướng bắc đích thực: Các electron tự do giữ cho các nguyên tử từ tính đi đúng hướng

Khi bạn ra lệnh cho máy tính của mình lưu một tệp, thông tin đó sẽ được lưu trữ dưới dạng một chuỗi các số một và số 0 trong bộ nhớ từ tính của máy tính, chẳng hạn như ổ cứng từ tính hoặc bộ nhớ flash.

Và giống như tất cả các nam châm, thiết bị nhớ từ tính chứa các nam châm cực nhỏ với hai cực – bắc và nam, hướng của chúng tuân theo hướng của từ trường bên ngoài. Dữ liệu được ghi hoặc mã hóa khi các nam châm nhỏ này được lật theo các hướng mong muốn.

Theo Chen, các điện tử tự do của oxit kẽm có thể hoạt động như một chất trung gian đảm bảo các nguyên tử coban từ tính trong thiết bị 2D mới tiếp tục hướng về cùng một hướng – và do đó giữ nguyên từ tính – ngay cả khi vật chủ, trong trường hợp này là oxit kẽm bán dẫn, là một vật liệu không từ tính.

“Các electron tự do là thành phần cấu tạo nên dòng điện. Chúng chuyển động theo cùng một hướng để dẫn điện, ”Yao nói thêm, so sánh chuyển động của các electron tự do trong kim loại và chất bán dẫn với dòng chảy của các phân tử nước trong dòng nước.

Vật liệu mới – có thể uốn cong thành hầu hết mọi hình dạng mà không bị vỡ, và mỏng hơn một triệu lần so với một tờ giấy – có thể giúp thúc đẩy ứng dụng của điện tử spin hoặc spintronics, một công nghệ mới sử dụng định hướng của spin của electron thay vì so với phí mã hóa dữ liệu của nó. Chen cho biết: “Nam châm 2D của chúng tôi có thể cho phép hình thành các thiết bị spintronic siêu nhỏ gọn để thiết kế các vòng quay của các electron.

“Tôi tin rằng việc phát hiện ra nam châm hai chiều mới, mạnh mẽ, thực sự này ở nhiệt độ phòng là một bước đột phá thực sự,” đồng tác giả Robert Birgeneau, một nhà khoa học cấp cao tại Phòng Khoa học Vật liệu của Phòng thí nghiệm Berkeley và là giáo sư vật lý tại UC Berkeley cho biết người đồng dẫn đầu cuộc nghiên cứu.

“Kết quả của chúng tôi thậm chí còn tốt hơn những gì chúng tôi mong đợi, điều này thực sự rất thú vị. Hầu hết thời gian trong khoa học, các thí nghiệm có thể rất khó khăn, ”Yao nói. “Nhưng cuối cùng khi bạn nhận ra điều gì đó mới, nó luôn rất viên mãn.”

Tham khảo: “Chất sắt từ có thể điều chỉnh được ở nhiệt độ phòng trong ZnO van der Waals hai chiều đồng pha tạp” của Rui Chen, Fuchuan Luo, Yuzi Liu, Yu Song, Yu Dong, Shan Wu, Jinhua Cao, Fuyi Yang, Alpha N’Diaye, Padraic Shafer, Yin Liu, Shuai Lou, Junwei Huang, Xiang Chen, Zixuan Fang, Qingjun Wang, Dafei Jin, Ran Cheng, Hongtao Yuan, Robert J. Birgeneau và Jie Yao, ngày 25 tháng 6 năm 2021, Nature Communications .
DOI: 10.1038 / s41467-021-24247-w

Các đồng tác giả của bài báo bao gồm các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm Berkeley, bao gồm Alpha N’Diaye và Padraic Shafer của Nguồn sáng nâng cao; UC Berkeley; UC Riverside; Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne; và Đại học Nam Kinh và Đại học Khoa học và Công nghệ Điện tử của Trung Quốc.

Nguồn sáng tiên tiến và Xưởng đúc phân tử là cơ sở sử dụng quốc gia của DOE tại Phòng thí nghiệm Berkeley.

Nguồn bức xạ Synchrotron Stanford là một cơ sở sử dụng quốc gia DOE tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC.

Trung tâm Vật liệu kích thước nano là một cơ sở sử dụng quốc gia của DOE tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne.

Công trình này được tài trợ bởi Văn phòng Khoa học DOE, Tập đoàn Intel, và Chương trình Nghiên cứu sinh Bakar tại UC Berkeley.

Theo Scitechdaily

What's your reaction?

Excited
0
Happy
0
In Love
0
Not Sure
0

You may also like

Leave a reply

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Website này sử dụng Akismet để hạn chế spam. Tìm hiểu bình luận của bạn được duyệt như thế nào.