p O desenvolvimento de um ímã ultrafino que opera em temperatura ambiente pode levar a novas aplicações em computação e eletrônica, como alta densidade, dispositivos compactos de memória spintrônica - e novas ferramentas para o estudo da física quântica. p O ímã ultrafino, que foi recentemente relatado no jornal Nature Communications , poderia fazer grandes avanços nas memórias de próxima geração, Informática, spintrônica, e física quântica. Foi descoberto por cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) e da UC Berkeley.

p "Somos os primeiros a fazer um ímã 2-D à temperatura ambiente que é quimicamente estável em condições ambientais, "disse o autor sênior Jie Yao, cientista da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e professor associado de ciência e engenharia de materiais na UC Berkeley.

p "Esta descoberta é empolgante porque não só torna o magnetismo 2-D possível à temperatura ambiente, mas também revela um novo mecanismo para realizar materiais magnéticos 2-D, "acrescentou Rui Chen, um estudante de graduação da UC Berkeley no Grupo de Pesquisa Yao e principal autor do estudo. "

p O componente magnético dos dispositivos de memória de hoje é normalmente feito de filmes finos magnéticos. Mas no nível atômico, esses filmes magnéticos ainda são tridimensionais - com centenas ou milhares de átomos de espessura. Por décadas, pesquisadores têm procurado maneiras de fazer ímãs 2-D mais finos e menores e, assim, permitir que os dados sejam armazenados em uma densidade muito maior.

p Conquistas anteriores no campo de materiais magnéticos 2-D trouxeram resultados promissores. Mas esses primeiros ímãs 2-D perdem seu magnetismo e se tornam quimicamente instáveis ​​à temperatura ambiente.

p "Os ímãs 2-D de última geração precisam de temperaturas muito baixas para funcionar. Mas, por razões práticas, um data center precisa funcionar em temperatura ambiente, "Yao disse." Teoricamente, sabemos que quanto menor o ímã, quanto maior for a densidade potencial de dados do disco. Nosso ímã 2-D não é apenas o primeiro que opera em temperatura ambiente ou superior, mas também é o primeiro ímã a atingir o verdadeiro limite 2-D:é tão fino quanto um único átomo! "

p Os pesquisadores afirmam que sua descoberta também possibilitará novas oportunidades de estudar a física quântica. "Nosso ímã atomicamente fino oferece uma plataforma ideal para sondar o mundo quântico, "Yao disse." Ele abre cada átomo para exame, que pode revelar como a física quântica governa cada átomo magnético individual e as interações entre eles. Com um ímã convencional em que a maioria dos átomos magnéticos estão profundamente enterrados dentro do material, tais estudos seriam bastante desafiadores de fazer. "

p A fabricação de um ímã 2-D que pode receber o calor

p Os pesquisadores sintetizaram o novo ímã 2-D - chamado de ímã de óxido de zinco dopado com cobalto van der Waals - a partir de uma solução de óxido de grafeno, zinco, e cobalto. Apenas algumas horas de cozimento em um forno de laboratório convencional transformaram a mistura em uma única camada atômica de óxido de zinco com um punhado de átomos de cobalto imprensado entre camadas de grafeno. Em uma etapa final, grafeno é queimado, deixando para trás apenas uma única camada atômica de óxido de zinco dopado com cobalto.

p "Com nosso material, não há grandes obstáculos para a indústria adotar nosso método baseado em soluções, "disse Yao." É potencialmente escalonável para produção em massa a custos mais baixos. "

p Para confirmar que o filme 2-D resultante tem apenas um átomo de espessura, Yao e sua equipe conduziram experimentos de microscopia eletrônica de varredura na Fundição Molecular do Berkeley Lab para identificar a morfologia do material, e imagens de microscopia eletrônica de transmissão para sondar o material átomo por átomo.

p Com a prova em mãos de que seu material 2-D realmente tem apenas um átomo de espessura, os pesquisadores passaram para o próximo desafio que confundiu os pesquisadores por anos:demonstrar um ímã 2-D que opera com sucesso em temperatura ambiente.

p Os experimentos de raios-X na fonte de luz avançada do Berkeley Lab caracterizaram os parâmetros magnéticos do material 2-D sob alta temperatura. Experimentos adicionais de raios-X no Laboratório Nacional do Acelerador SLAC, Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, verificaram as estruturas eletrônicas e de cristal dos ímãs 2-D sintetizados. E no Centro de Materiais em Nanoescala do Laboratório Nacional de Argonne, os pesquisadores obtiveram imagens da estrutura cristalina e da composição química do material 2-D usando microscopia eletrônica de transmissão.

p Como um todo, os experimentos de laboratório da equipe de pesquisa mostraram que o sistema de óxido de grafeno-zinco torna-se fracamente magnético com uma concentração de 5-6% de átomos de cobalto. Aumentar a concentração de átomos de cobalto para cerca de 12% resulta em um ímã muito forte.

p Para surpresa dos pesquisadores, uma concentração de átomos de cobalto excedendo 15% muda o ímã 2-D para um exótico estado quântico de "frustração, "em que diferentes estados magnéticos dentro do sistema 2-D estão em competição uns com os outros.

p E, ao contrário dos ímãs 2-D anteriores, que perdem seu magnetismo em temperatura ambiente ou acima, os pesquisadores descobriram que o novo ímã 2-D não funciona apenas em temperatura ambiente, mas também a 100 graus Celsius (212 graus Fahrenheit).

p "Nosso sistema magnético 2-D mostra um mecanismo distinto em comparação com os ímãs 2-D anteriores, "disse Chen." E achamos que esse mecanismo único é devido aos elétrons livres no óxido de zinco. "

p Norte verdadeiro:elétrons livres mantêm átomos magnéticos no caminho certo

p Quando você comanda seu computador para salvar um arquivo, essa informação é armazenada como uma série de uns e zeros na memória magnética do computador, como o disco rígido magnético ou uma memória flash. E como todos os ímãs, dispositivos de memória magnética contêm ímãs microscópicos com dois pólos - norte e sul, cujas orientações seguem a direção de um campo magnético externo. Os dados são gravados ou codificados quando esses pequenos ímãs são virados para as direções desejadas.

p De acordo com Chen, Os elétrons livres do óxido de zinco podem atuar como um intermediário que garante que os átomos magnéticos de cobalto no novo dispositivo 2-D continuem apontando na mesma direção - e, portanto, permaneçam magnéticos - mesmo quando o hospedeiro, neste caso, o óxido de zinco semicondutor, é um material não magnético.

p "Os elétrons livres são constituintes das correntes elétricas. Eles se movem na mesma direção para conduzir eletricidade, "Yao acrescentou, comparar o movimento de elétrons livres em metais e semicondutores com o fluxo de moléculas de água em um fluxo de água.

p Os pesquisadores dizem que o novo material - que pode ser dobrado em quase qualquer forma sem quebrar, e tem 1 milionésimo da espessura de uma única folha de papel - poderia ajudar no avanço da aplicação da eletrônica de spin ou spintrônica, uma nova tecnologia que usa a orientação do spin de um elétron em vez de sua carga para codificar os dados. "Nosso ímã 2-D pode permitir a formação de dispositivos spintrônicos ultracompactos para projetar os spins dos elétrons, "Chen disse.

p “Acredito que a descoberta deste novo, robusto, ímã verdadeiramente bidimensional em temperatura ambiente é uma descoberta genuína de Jie Yao e seus alunos, "disse o co-autor Robert Birgeneau, um cientista sênior do corpo docente da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e professor de física da UC Berkeley que co-liderou as medições magnéticas do estudo. "Além de seu significado óbvio para dispositivos spintrônicos, este ímã 2-D é fascinante em nível atômico, revelando pela primeira vez como os átomos magnéticos de cobalto interagem em 'longas' distâncias "através de uma rede bidimensional complexa, ele adicionou.

p "Nossos resultados são ainda melhores do que esperávamos, o que é realmente emocionante. Na maioria das vezes na ciência, experimentos podem ser muito desafiadores, "ele disse." Mas quando você finalmente perceber algo novo, é sempre muito gratificante. "