科学家开发出世界上最薄的二维磁性材料

日前，美国科学家开发了一种世界上最薄的二维磁性材料，这一突破可能为计算和电子领域带来令人兴奋的新可能性。这种磁铁只有一个原子的厚度，与以前开发的类似材料不同，它能够在室温下工作，除其他应用外，它可以使数据以更高的密度存储。

识别具有磁性的二维材料是科学家以前取得的成就。2017年，他们关注了对一种名为三碘化铬的铁磁性材料的研究，科学家发现这种材料可以被削成一个原子厚的单层，同时保持其磁性。

美国劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校的科学家们一直在努力解决以前开发的这种二维磁体的一个缺点，即在室温下的不稳定性，导致它们失去磁性。迄今为止，这限制了该技术的实用性，但研究人员现在已经找到了一条有希望的前进道路。

“最先进的二维磁体需要非常低的温度才能发挥作用，”资深作者姚杰（音译）解释说。“但由于实际原因，数据中心需要在室温下运行。我们的二维磁体不仅是第一个在室温或更高温度下运行的磁体，而且也是第一个达到真正二维极限的磁体：它像一个单原子一样薄！”

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科学家们从氧化石墨烯、锌和钴的混合物开始，在实验室中进行烘烤，变成了一层遍布钴原子的氧化锌。这层厚度仅为一个原子，被夹在两层石墨烯之间，然后将其烧掉，留下一层磁性的二维薄膜。

通过后续实验，研究小组发现可以通过改变材料中钴的含量来调整磁性。浓度为5%或6%的钴原子会产生一个相对较弱的磁体，而将浓度提高到12%会产生一个非常强的磁体。将浓度提高到15%，就会出现科学家们所说的 "frustration "的量子状态，在这种状态下，材料中相互冲突的磁态会相互竞争。

至关重要的是，研究小组发现，与早期的二维磁体不同，这种材料不仅在室温下，而且在高达100℃的温度下都能保持其磁力特性。

"与以前的二维磁体相比，我们的二维磁体系统显示出一种独特的机制，"研究作者陈锐（音译）说。"而且我们认为这种独特的机制是由于氧化锌中的自由电子造成的。"

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该团队的二维磁体的厚度只有一张纸的百万分之一，可以弯曲成几乎任何形状。该技术的一个有前途的应用在于数据存储。今天使用的存储设备依赖于非常薄的磁性薄膜，但仍然是三维的，测量起来有数百或数千个原子厚。更薄的磁体，特别是只有一个原子厚的磁体，将使数据能够以更高的密度存储。

这种材料通过允许观察单个磁性原子和它们之间的相互作用，还能在量子物理学领域实现新的研究模式。另一种可能性涉及自旋电子学领域，其中电子的自旋而不是其电荷将被用于存储和操纵数据，科学家们想象二维磁体可以构成一个促进这些过程的紧凑设备的一部分。

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研究共同作者Robert Birgeneau说：“我相信，在室温下发现这种新的、坚固的、真正的二维磁体是一个真正的突破。”

这项研究发表在《自然通讯》杂志上。

相关链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-24247-w

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