Ciencias

Los científicos fabrican el imán más delgado del mundo. Tiene solo un átomo de espesor

Ilustración de acoplamiento magnético en una monocapa de óxido de zinc dopado con cobalto. Las esferas roja, azul y amarilla representan átomos de cobalto, oxígeno y zinc, respectivamente. Crédito: Berkeley Lab.

En una innovación mundial, los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y la Universidad de California Berkeley han creado un imán de un átomo de espesor que puede funcionar a temperatura ambiente. El imán ultrafino podría conducir a una nueva clase de dispositivos de almacenamiento que pueden almacenar órdenes de magnitud más de datos por volumen que los dispositivos de gama alta de hoy. Estos imanes bidimensionales (2D) también pueden ser útiles para explorar el misterioso mundo de la física cuántica.

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

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

Un imán 2D delgado de un átomo que funciona a temperatura ambiente

Los dispositivos de almacenamiento modernos que almacenan datos a través de un medio magnetizado suelen contener películas magnéticas muy delgadas. Estas películas pueden tener solo miles o incluso cientos de átomos de espesor, lo cual es impresionante en sí mismo, pero los científicos siempre quieren superar los límites.

Durante décadas, los físicos han intentado hacer imanes 2D que no sean más gruesos que un átomo. Esto les permitiría acumular más datos por pulgada cuadrada.

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Algunos de estos esfuerzos fueron recompensados ​​con resultados prometedores, pero su principal inconveniente fue que estos imanes 2D diseñados previamente se volvieron 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 en operar 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! “

Yao y sus colegas sintetizaron un nuevo material llamado imán de óxido de zinc de van der Waals dopado con cobalto. Si bien el nombre puede ser exagerado, describe perfectamente lo que es este imán: una sola capa atómica de óxido de zinc con una pequeña pizca de cobalto. Durante el proceso de síntesis, el material se intercala entre capas de grafeno, que luego se eliminan, dejando solo una capa atómica de óxido de zinc dopado con cobalto. Es un proceso de fabricación asequible y escalable para producción en masa de bajo costo.

El imán 2D se sometió a una batería de pruebas, incluidos experimentos de microscopía electrónica de barrido que revelaron la morfología del material y las imágenes de microscopía electrónica de transmisión para sondear el material átomo por átomo. Estas investigaciones demostraron que el imán no tiene realmente más de un átomo de espesor.

Luego demostraron que se mantiene estable a temperatura ambiente. Utilizando potentes fuentes de rayos X en la fuente de luz avanzada del Berkeley Lab y la fuente de luz sincrotrón del laboratorio SLAC National Accelerator, los investigadores describieron las estructuras electrónicas y cristalinas del imán 2D para diferentes concentraciones de cobalto.

Según los resultados, el material de óxido de zinc y grafeno se vuelve magnético a una concentración de cobalto del 5 al 6%, mientras que al aumentar la concentración al 12% se obtiene un imán muy potente.

Los experimentos no solo demostraron que el material conserva su magnetismo a temperatura ambiente, sino que también puede soportar temperaturas de hasta 100 grados Celsius (212 grados Fahrenheit). El nuevo material también se puede doblar en casi cualquier forma sin romperse.

“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”.

Posibles aplicaciones en informática y electrónica

Los datos se escriben en la memoria magnética, como un disco duro magnético, invirtiendo la dirección de los dos polos (norte y sur) de los imanes microscópicos utilizando un campo magnético externo. Los electrones libres en el imán 2D siempre siguen la dirección de las corrientes eléctricas y garantizan que los átomos magnéticos de cobalto del material sigan apuntando en la misma dirección sin dejar de ser magnéticos.

Esta propiedad puede abrir la puerta a aplicaciones en electrónica de espín, también conocida como espintrónica, mediante las cuales los datos pueden codificarse en el espín de un electrón en lugar de su carga.

“Creo que el descubrimiento de este nuevo imán robusto y verdaderamente bidimensional a temperatura ambiente es un verdadero descubrimiento de Jie Yao y sus estudiantes”, dijo el coautor Robert Birgeneau, científico principal 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. los resultados son incluso mejores de lo que esperábamos, lo cual es realmente emocionante. La mayoría de las veces, en ciencia, los experimentos pueden ser muy desafiantes ”, dijo. “Pero cuando finalmente notas algo nuevo, siempre es muy gratificante”.

Los hallazgos aparecieron en el periódico. Comunicaciones de la naturaleza.

Prudencia Febo

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