Fizikanët vetëm thyen rekordin për magnetin më të hollë të botës

Një fetë materiali vetëm e trashë me një atom të vetëm po thyen rekorde.

Meshë ultra e hollë është një magnet që operon në temperaturën e dhomës, duke hapur rrugë për zhvillimin e teknologjisë, veçanërisht pajisjet e kujtesës, dhe për kërkime në ferromagnetizëm dhe fizikën kuantike.

Shtë një hap i madh përpara nga përpjekjet e mëparshme për të bërë një magnet 2D, të cilat kanë humbur magnetizmin dhe stabilitetin e tyre kur largohen nga kushtet ultracold.

“Ne jemi të parët që bëjmë një magnet 2D në temperaturë dhome që është kimikisht i qëndrueshëm në kushtet e ambientit”, tha shkencëtari i materialeve Jie Yao nga Universiteti i Kalifornisë në Berkeley.

“Magnetit më të fundit 2D kanë nevojë për temperatura shumë të ulëta për të funksionuar. Por për arsye praktike, një qendër e të dhënave duhet të funksionojë në temperaturën e dhomës. Magneti ynë 2D nuk është vetëm i pari që operon në temperaturë dhome ose më të lartë, por ai është gjithashtu magneti i parë që arrin kufirin e vërtetë 2D: asshtë aq i hollë sa një atom i vetëm! “

Kjo arritje e mahnitshme u bë duke përdorur një material të quajtur oksid zinku van der Waals i dopeduar me kobalt. Siç sugjeron emri, është krijuar duke kombinuar oksid grafeni, zinku dhe kobalt. Oksidi i grafenit është zhytur në acetat dihidratet e zinkut dhe kobaltit, raportet e të cilave maten me kujdes.

Kur piqet në vakum, kjo përzierje ftohet ngadalë në një shtresë të vetme të oksidit të zinkut të ndërthurur me atome kobalt, i vendosur në mes të shtresave të grafenit. Një hap i pjekjes në ajër digjet nga grafeni, duke lënë shtresën e vetme të oksidit të zinkut të dopeduar me kobalt.

Ekipi më pas përdori mikroskopinë elektronike skanuese për të konfirmuar trashësinë e strukturës me një atom të vetëm, dhe mikroskopinë elektronike të transmetimit për të imazhin e strukturës dhe përbërjes kristalore, atom pas atomit.

Filmi 2D që rezultoi u zbulua të ishte magnetik, por saktësisht se si varet magneti nga sasia e kobaltit të shpërndarë midis oksidit të zinkut. Rreth 5 deri në 6 përqind, magnetizmi ishte mjaft i dobët. Dyfishuar në rreth 12 përqind, materiali u bë mjaft i fortë magnetik.

Me 15 përqind, materiali ishte aq fort magnetik sa rrotullimet e lokalizuara brenda materialit filluan të konkurronin me njëri-tjetrin, një gjendje e njohur si zhgënjim. Kjo mund të pengojë rendin magnetik brenda një sistemi, kështu që duket se diku rreth 12 për qind është vendi i ëmbël i kobaltit.

Interesante, filmi mbeti magnetik dhe i qëndrueshëm kimikisht jo vetëm në temperaturën e dhomës, por deri në temperatura rreth 100 gradë Celsius (212 gradë Fahrenheit) – edhe pse oksidi i zinkut nuk është një material ferromagnetik.

“Sistemi ynë magnetik 2D tregon një mekanizëm të veçantë krahasuar me magnetet e mëparshëm 2D”, tha shkencëtari i materialeve dhe autori i parë i studimit, Rui Chen nga UC Berkeley. “Dhe ne mendojmë se ky mekanizëm unik është për shkak të elektroneve të lira në oksid zinku.”

Elektronet, ndër të tjera, janë magnet shumë të vegjël. Secili elektron ka një pol magnetik në veri dhe në jug dhe fushën e vet të vogël magnetike. Në shumicën e materialeve, orientimet magnetike të elektroneve anulojnë njëra-tjetrën, por në materialet ferromagnetike, elektronet grupohen së bashku në fusha ku të gjithë kanë të njëjtin orientim magnetik. Në një material magnetik, të gjitha fushat janë të orientuara në të njëjtin drejtim.

Elektronet e lira janë ato që nuk janë të bashkangjitura në bërthamën e një atomi. Studiuesit besojnë se elektronet e lira në oksid zinku mund të punojnë si ndërmjetës që mbajnë atomet magnetike të kobaltit në film të orientuar në të njëjtin drejtim, madje edhe nën temperatura të larta.

Certainlyshtë sigurisht diçka që kërkon hetime të mëtejshme, veçanërisht pasi mund të hapë shumë rrugë të reja për zhvillimin e teknologjisë dhe kërkimit. Filmi në vetvete është fleksibël, dhe prodhimi i tij i shkallëzuar, që do të thotë se mundësitë janë verbuese.

Një rrugë është studimi i ndërveprimeve magnetike midis atomeve, gjë që ka implikime për fizikën kuantike. Një tjetër është spintronics, studimi i rrotullimit të elektroneve. Mund të përdoret për të prodhuar pajisje të lehta dhe fleksibël të kujtesës, gjithashtu, të cilat mbështeten në ndërrimin e orientimit të fushës magnetike për të kodifikuar të dhënat binare.

Analiza dhe llogaritjet e ardhshme do të ndihmojnë në kuptimin më të mirë të kufizimeve të materialit.

“Rezultatet tona janë edhe më të mira se ato që prisnim, gjë që është me të vërtetë emocionuese. Shumicën e kohës në shkencë, eksperimentet mund të jenë shumë sfiduese,” tha Yao. “Por kur më në fund kuptoni diçka të re, ajo është gjithmonë shumë përmbushëse.”