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

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

Por primera vez en el mundo, los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y la Universidad de California en Berkeley han creado un imán del grosor de un átomo que puede funcionar a temperatura ambiente. El imán ultrafino podría conducir a una nueva clase de dispositivos de almacenamiento que podrían almacenar órdenes de magnitud más de datos por volumen que los dispositivos avanzados de hoy. Estos imanes bidimensionales (2D) también pueden resultar útiles para explorar el misterioso mundo de la física cuántica.

“Somos los primeros en fabricar un imán 2D a temperatura ambiente que es químicamente estable en condiciones ambientales”, dijo el autor principal Jie Yao, investigador de la División de Ciencias de los Materiales del Berkeley Lab y profesor asociado de ciencia y tecnología. UC Berkeley.

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

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

Los dispositivos de almacenamiento modernos que almacenan datos confiando en un medio magnetizado generalmente contienen 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 traspasar 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 dieron sus frutos con resultados prometedores, pero su principal desventaja 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 operar 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 más, 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 van der Waals a partir de óxido de zinc dopado con cobalto. Si bien el nombre puede ser un bocado, 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 accesible y escalable para producción en masa de bajo costo.

El imán 2D se ha sometido a una batería de pruebas, incluidos experimentos de microscopía electrónica de barrido que revelaron la morfología del material y la obtención de imágenes de microscopía electrónica de transmisión para sondear el material átomo por átomo. Estas investigaciones han demostrado 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 de Berkeley Lab y la fuente de luz sincrotrón del Stanford National Accelerator Laboratory en SLAC, los investigadores describieron las estructuras electrónicas y cristalinas del imán 2D para diferentes concentraciones de cobalto.

Dependiendo de 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 fuerte.

Los experimentos no solo han demostrado 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 que utilizan un campo magnético externo. Los electrones libres en el imán 2D siempre siguen la dirección de las corrientes eléctricas y aseguran que los átomos de cobalto magnético del material continúen apuntando en la misma dirección, permaneciendo así magnéticos.

Esta propiedad podría abrir la puerta a aplicaciones en electrónica de espín, también llamada espintrónica, donde los datos pueden codificarse en el espín de un electrón en lugar de en su carga.

“Creo que el descubrimiento de este imán nuevo, robusto y verdaderamente bidimensional a temperatura ambiente es un gran avance para Jie Yao y sus estudiantes”, dijo el coautor Robert Birgeneau, investigador principal de la División de Ciencias de los Materiales del Laboratorio de Berkeley 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. agrega. los resultados son incluso mejores de lo que esperábamos, lo que es realmente emocionante. La mayor parte del tiempo en ciencia, los experimentos pueden ser muy difíciles ”, dijo. “Pero cuando finalmente haces algo nuevo, siempre es muy gratificante”.

Los resultados fueron publicados en la revista Comunicación de la naturaleza.