En una primicia mundial, los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y la Universidad de California Berkeley han creado un imán de un átomo de espesor 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 actuales de última generación. Estos imanes bidimensionales (2D) también pueden resultar útiles para explorar el misterioso mundo de la física cuántica.
“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 realizar materiales magnéticos 2D”, agregó Rui Chen, estudiante graduado de UC Berkeley en el Grupo de Investigación Yao y autor principal de la estudio.
Un imán 2D delgado de un átomo que funciona a temperatura ambiente
Los dispositivos de almacenamiento modernos que almacenan datos basándose en un medio magnetizado suelen contener películas magnéticas muy delgadas. Estas películas pueden tener solo miles o incluso cientos de átomos de espesor, lo que 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. Hacerlo les permitiría acumular más datos por pulgada cuadrada. Algunos de estos esfuerzos han dado sus frutos con resultados prometedores, pero su principal inconveniente fue que estos imanes 2D previamente diseñados 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 funcionar 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 que funciona 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 óxido de zinc de van der Waals dopado con cobalto. Aunque el nombre puede ser un bocado, describe perfectamente de qué se trata 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 a bajo costo.
El imán 2D pasó por una batería de pruebas, incluidos experimentos de microscopía electrónica de barrido que revelaron la morfología del material y las imágenes de microscopía electrónica de transmisión para sondear el material átomo por átomo. Estas investigaciones demostraron que el imán no tiene realmente más de un átomo de espesor.
A continuación, 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 de radiación sincrotrón de Stanford del laboratorio SLAC National Accelerator, los investigadores describieron las estructuras electrónicas y cristalinas del imán 2D para diferentes concentraciones de cobalto.
Según los resultados, el material de grafeno-óxido de zinc se vuelve magnético a una concentración de cobalto del 5-6%, mientras que al aumentar la concentración al 12% se obtiene un imán muy potente. Los experimentos no solo demostraron que el material conserva su magnetismo a temperatura ambiente, sino que también puede soportar temperaturas de hasta 100°C. 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 una memoria magnética, como un disco duro magnético, cambiando la dirección de los dos polos (norte y sur) de los imanes microscópicos utilizando 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 en el material continúen apuntando en la misma dirección, permaneciendo así magnéticos. Esta propiedad podría abrir la puerta a aplicaciones en electrónica de espín, también conocida como espintrónica, mediante la cual los datos se pueden codificar en el espín de un electrón en lugar de su carga.
“Creo que el descubrimiento de este imán nuevo, robusto y verdaderamente bidimensional a temperatura ambiente es un avance genuino de Jie Yao y sus estudiantes”, dijo el coautor Robert Birgeneau, científico senior de la facultad de la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab 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. Los 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. “Pero cuando finalmente te das cuenta de algo nuevo, siempre es muy gratificante”.
Fuente: ZME Science.
