世界上最薄的磁铁:只有一个原子的厚度

说到二维材料,大家脑海中可能会想到石墨烯,这是一种厚度只有一个原子的特殊材料,有很多独特的性能,应用范围也极为广泛,今天我们再来看看科学家研制出的一款新的二维材料,这一次是将磁铁二维化了。

这种在室温下就能正常工作的磁铁可能会催生出一种新的存储设备,和现在的存储器相比,这种二维磁铁存储器能够储存更多数量级的数据,而且这种材料在探索量子物理学方面也非常有用。

图解钴掺杂氧化锌单层中的磁耦合。红色、蓝色和黄色球体分别代表钴、氧和锌原子。图片来源:伯克利实验室。
图解钴掺杂氧化锌单层中的磁耦合。红色、蓝色和黄色球体分别代表钴、氧和锌原子。图片来源:伯克利实验室。

我们通常用的存储器都是集成电路的,但是在一些大数据方面,会用磁盘来存储,这些磁盘中依靠的是磁性介质来存储数据,其中一些最先进的磁盘里面包含了一些非常薄的磁膜,这些薄膜的厚度只有数千甚至几百个原子的厚度,这本身就已经很薄了。

但是在近几十年以来,科学家一直在视图制造出一个原子厚度的二维磁铁,这样就能够生产出数据密度更大的磁盘。

二维磁铁材料并不是这两年才研制出来的,之前也有一些类似的材料,但是却面临一些很严重的问题,比如不能在常温下稳定工作。这些材料如同超导体一样,只能在非常低温度的环境下才能发挥作用,这样就限制了它们的实用性。

而这次二维磁铁使用的是一种叫做掺钴范德华氧化锌磁体的新材料,虽然这个名字可能比较拗口,但是却表露出它的构成:氧化锌的单个原子层和一小撮钴元素。在合成的过程中,掺钴范德华氧化锌磁体被夹在石墨烯层中间,然后移除掉石墨烯,只留下一个掺杂了钴原子的氧化锌原子层,这是一种易于访问和扩展的制造工艺,可以用低成本进行大规模生产。

科学家对这种新型二维磁铁材料进行研究后发现,通过控制材料中钴原子的浓度能够控制材料的磁性强度。当钴浓度达到5~6%的时候材料就能具有磁性,而将这个浓度增加到12%的时候,磁场也就达到最大。

实验还表明,这种材料不但能够在室温下保持磁性,而且在100摄氏度下也能正常工作。另外它还能够弯曲成任何形状而几乎不会断裂。

未来在计算机和电子领域的可能应用

通过外部磁场翻转二维磁铁两极的方向,可以将数据写入到磁存储器中,二维磁铁中的自由电子始终遵循电流方向,确保材料中的磁性钴原子继续指向同一方向,从而保持磁性。

这种特性能够为自旋电子系的应用打开大门,由此数据可以在电子的自旋而不是电荷中编码。

这将会为未来这种二维磁铁材料在计算机领域的应用带来可能性。

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