Científicos crean el imán más delgado del mundo

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Un imán 2D de un átomo de espesor desarrollado por Berkeley Lab y UC Berkeley podría promover nuevas aplicaciones en informática y electrónica.

El desarrollo de un imán ultrafino que funciona a temperatura ambiente podría dar lugar a nuevas aplicaciones en informática y electrónica, como dispositivos de memoria espintrónica compactos de alta densidad, y nuevas herramientas para el estudio de la física cuántica.

El imán ultrafino podría hacer grandes avances en dispositivos de memoria de próxima generación, computación, espintrónica y física cuántica.

Fue descubierto por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) y UC Berkeley.

“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 facultad de la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab 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 descubre un nuevo mecanismo para hacer materiales magnéticos 2D”, agregó Rui Chen, estudiante graduado de UC Berkeley en el Grupo de Investigación Yao y autor principal del estudio.

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El componente magnético de los dispositivos de memoria actuales suele estar hecho de películas delgadas magnéticas.

Pero a nivel atómico, estos materiales todavía son tridimensionales: cientos o miles de átomos de espesor.

Durante décadas, los investigadores han buscado formas de hacer imanes 2D más delgados y pequeños y, por lo tanto, permitir que los datos se almacenen a una densidad mucho mayor.

Los logros anteriores en el campo de los materiales magnéticos 2D han arrojado resultados prometedores.

Pero estos primeros imanes 2D pierden su magnetismo y se vuelven químicamente 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.

“Nuestro imán 2D no solo es el primero que funciona 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!“

Los investigadores dicen que su descubrimiento también permitirá nuevas oportunidades para estudiar la física cuántica.

“Abre cada átomo para su examen, lo que puede revelar cómo la física cuántica gobierna cada átomo magnético y las interacciones entre ellos”, dijo Yao.

Los investigadores sintetizaron el nuevo imán 2D, llamado imán de óxido de zinc de van der Waals dopado con cobalto, a partir de una solución de óxido de grafeno, zinc y cobalto.

Solo unas pocas horas de cocción en un horno de laboratorio convencional transformaron la mezcla en una sola capa atómica de óxido de zinc con un puñado de átomos de cobalto intercalados entre capas de grafeno.

En un paso final, el grafeno se quema, dejando solo una capa atómica de óxido de zinc dopado con cobalto.

“Con nuestro material, no existen obstáculos importantes para que la industria adopte nuestro método basado en soluciones”, dijo Yao.

“Es potencialmente escalable para la producción en masa a costos más bajos“.

Para confirmar que la película 2D resultante tiene solo un átomo de espesor, Yao y su equipo llevaron a cabo experimentos de microscopía electrónica de barrido en la fundición molecular de Berkeley Lab para identificar la morfología del material y la obtención de imágenes de microscopía electrónica de transmisión (TEM) para sondear el material átomo por átomo.

Los experimentos de rayos X en la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab caracterizaron los parámetros magnéticos del material 2D a alta temperatura.

Experimentos adicionales de rayos X en la fuente de luz de radiación sincrotrón de Stanford del Laboratorio Nacional SLAC verificaron las estructuras electrónicas y cristalinas de los imanes 2D sintetizados.

Y en el Centro de Materiales a Nanoescala del Laboratorio Nacional Argonne, los investigadores emplearon TEM para obtener imágenes de la estructura cristalina y la composición química del material 2D.

Los investigadores encontraron que el sistema de óxido de zinc-grafeno se vuelve débilmente magnético con una concentración de 5-6% de átomos de cobalto.

El aumento de la concentración de átomos de cobalto a aproximadamente el 12% da como resultado un imán muy fuerte.

Para su sorpresa, una concentración de átomos de cobalto superior al 15% desplaza el imán 2D a un exótico estado cuántico de “frustración“, en el que diferentes estados magnéticos dentro del sistema 2D compiten entre sí.

Y a diferencia de los imanes 2D anteriores, que pierden su magnetismo a temperatura ambiente o superior, los investigadores encontraron que el nuevo imán 2D no solo funciona a temperatura ambiente sino también a 100 grados Celsius.

“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“.

Cuando le ordena a su computadora que guarde un archivo, esa información se almacena como una serie de unos y ceros en la memoria magnética de la computadora, como el disco duro magnético o una memoria flash.

Y como todos los imanes, los dispositivos de memoria magnética contienen imanes microscópicos con dos polos, norte y sur, cuyas orientaciones siguen la dirección de un campo magnético externo.

Los datos se escriben o codifican cuando estos pequeños imanes se giran en las direcciones deseadas.

Según Chen, los electrones libres del óxido de zinc podrían actuar como un intermediario que asegura que los átomos de cobalto magnéticos en el nuevo dispositivo 2D continúen apuntando en la misma dirección, y por lo tanto permanezcan magnéticos, incluso cuando el anfitrión, en este caso el óxido de zinc semiconductor, es un material no magnético.

“Los electrones libres son componentes de corrientes eléctricas.

Se mueven en la misma dirección para conducir la electricidad ”, agregó Yao, comparando el movimiento de electrones libres en metales y semiconductores con el flujo de moléculas de agua en una corriente de agua.

El nuevo material, que se puede doblar en casi cualquier forma sin romperse, y es un millón de veces más delgado que una hoja de papel, podría ayudar a avanzar en la aplicación de la electrónica de espín o la espintrónica, una nueva tecnología que utiliza la orientación del espín de un electrón en lugar de su carga para codificar datos.

“Nuestro imán 2D puede permitir la formación de dispositivos espintrónicos ultracompactos para diseñar los espines de los electrones”, dijo Chen.

“Creo que el descubrimiento de este imán nuevo, robusto y verdaderamente bidimensional a temperatura ambiente es un avance genuino“, dijo el coautor Robert Birgeneau, científico principal de la facultad de la División de Ciencias de Materiales del Laboratorio de Berkeley y profesor de física en la UC Berkeley quien codirigió el estudio.

“Nuestros resultados son incluso mejores de lo que esperábamos, lo cual es realmente emocionante.

La mayor parte del tiempo en ciencia, los experimentos pueden ser muy desafiantes”, dijo Yao.

“Pero cuando finalmente te das cuenta de algo nuevo, siempre es muy gratificante“.

Fuente: Nature Communications