Парченце материал, дебело едва един атом, постави нов рекорд.

Ултратънкият обект – магнит, функциониращ при стайни температури – отваря нови врати при разработката на бъдещи технологии (например устройства за памет). Освен това ще окаже съществено влияние и върху изследванията, свързани с феромагнетизма и квантовата физика.

Новата разработка представлява огромна стъпка напред по отношение на предишните опити за разработка на 2D магнити, които губят своя магнетизъм и стабилност, когато бъдат изложени на ултрастудени условия.

„Ние сме първите, които създадохме 2D магнит, работещ при стайни температури, който е химически стабилен в условията на околната среда“, казва материалният учен Жие Яо от Калифорнийския университет – Бъркли.

Невероятното постижение е направено благодарение на материал, представляващ комбинация от графенов оксид, цинк и кобалт. Графеновият оксид се потапя в ацетатни дихидрати на цинк и кобалт, чиито съотношения са внимателно измерени.

Когато се изпече във вакуум, тази смес бавно се охлажда и образува пласт цинков оксид, пълен с кобалтови атоми, позиционирани между пластове графен. След това сместа се изпича извън вакум, което от своя страна изгаря графена и оставя един-единствен пласт покрит с кобалт цинков оксид.

При следващата стъпка екипът използва сканиращ електронен микроскоп, за да се увери, че структурата е дебела един-единствен атом, а благодарение на трансмисионната електрона микроскопия заснема кристалната структура и композиция (атом по атом).

Илюстрация на магнитното сдвояване в материала. Източник: Berkeley Lab

Получилото се 2D покритие се оказва с магнетични свойства. Колко високи са те? Това зависи от количеството кобалт, разпръснато из цинковия оксид. Ако то е само 5-6%, магнетизмът е сравнително слаб. Удвои ли се до 12%, материалът става силно магнитен.

При 15% материалът е толкова силно магнитен, че локализираните завъртания в материала започват да с конкурират едно с друго – това състояние, известно като фрустрация. Ето защо учените смятат, че най-доброто съдържание на кобалт е 12%.

Интересното в случая е, че покритието запазва магнитните си свойства и остава химически стабилно не само при стайни температури, но и дори при 100 градуса по Целзий (въпреки че цинковият оксид не е феромагнитен материал).

„В сравнение с предишните 2D магнити нашата двуизмерна магнитна система се характеризира с отчетлив механизъм – казва материалният учен Руи Чен, първи автор на проучването. – И ние смятаме, че този уникален механизъм е вследствие от свободните електрони в цинковия оксид.“

Електроните, освен всичко останало, представляват изключително малки магнити. Всеки електрон има северен и южен магнитен полюс, както и свое собствено миниатюрно магнитно поле. В повечето материали магнитните ориентации на електроните се самоизключват, но във феромагнитните материали електроните се групират заедно на домени, на които проявяват една и съща магнитна ориентация. В магнитен материал всички тези домени са ориентирани в една и съща посока.

Свободните електрони от своя страна не се прикрепват към ядрото на атома. Изследователите вярват, че свободните електрони в цинковия оксид вероятно изпълняват ролята на посредници, които карат магнитните атоми на кобалта в покритието да се ориентират в една и съща посока (дори и при високи температури).

Изследването е публикувано в Nature Communications.

Източник: Science Alert