En una primicia mundial, los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y la Universidad de California Berkeley han creado un im\u00e1n de un \u00e1tomo de espesor que puede funcionar a temperatura ambiente. El im\u00e1n ultrafino podr\u00eda conducir a una nueva clase de dispositivos de almacenamiento que podr\u00edan almacenar \u00f3rdenes de magnitud m\u00e1s de datos por volumen que los dispositivos actuales de \u00faltima generaci\u00f3n. Estos imanes bidimensionales (2D) tambi\u00e9n pueden resultar \u00fatiles para explorar el misterioso mundo de la f\u00edsica cu\u00e1ntica.<\/p>\n\n\n\n
“Somos los primeros en hacer un im\u00e1n 2D a temperatura ambiente que es qu\u00edmicamente estable en condiciones ambientales”, dijo el autor principal Jie Yao, cient\u00edfico de la facultad de la Divisi\u00f3n de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y profesor asociado de ciencia e ingenier\u00eda de materiales en UC Berkeley.<\/p>\n\n\n\n
“Este descubrimiento es emocionante porque no solo hace posible el magnetismo 2D a temperatura ambiente, sino que tambi\u00e9n descubre un nuevo mecanismo para realizar materiales magn\u00e9ticos 2D”, agreg\u00f3 Rui Chen, estudiante graduado de UC Berkeley en el Grupo de Investigaci\u00f3n Yao y autor principal de la estudio.<\/p>\n\n\n\n
Un im\u00e1n 2D delgado de un \u00e1tomo que funciona a temperatura ambiente Durante d\u00e9cadas, los f\u00edsicos han intentado hacer imanes 2D que no sean m\u00e1s gruesos que un \u00e1tomo. Hacerlo les permitir\u00eda acumular m\u00e1s 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 dise\u00f1ados se volvieron inestables a temperatura ambiente.<\/p>\n\n\n\n \u201cLos imanes 2D de \u00faltima generaci\u00f3n necesitan temperaturas muy bajas para funcionar. Pero por razones pr\u00e1cticas, un centro de datos debe funcionar a temperatura ambiente\u201d, dijo Yao. \u201cEn teor\u00eda, sabemos que cuanto m\u00e1s peque\u00f1o es el im\u00e1n, mayor es la densidad de datos potencial del disco. Nuestro im\u00e1n 2D no solo es el primero que funciona a temperatura ambiente o m\u00e1s, sino que tambi\u00e9n es el primer im\u00e1n en alcanzar el l\u00edmite 2D real: \u00a1es tan delgado como un solo \u00e1tomo!”.<\/p>\n\n\n\n Yao y sus colegas sintetizaron un nuevo material llamado im\u00e1n de \u00f3xido de zinc de van der Waals dopado con cobalto. Aunque el nombre puede ser un bocado, describe perfectamente de qu\u00e9 se trata este im\u00e1n: una sola capa at\u00f3mica de \u00f3xido de zinc con una peque\u00f1a pizca de cobalto. Durante el proceso de s\u00edntesis, el material se intercala entre capas de grafeno, que luego se eliminan, dejando solo una capa at\u00f3mica de \u00f3xido de zinc dopado con cobalto. Es un proceso de fabricaci\u00f3n accesible y escalable para producci\u00f3n en masa a bajo costo.<\/p>\n\n\n\n El im\u00e1n 2D pas\u00f3 por una bater\u00eda de pruebas, incluidos experimentos de microscop\u00eda electr\u00f3nica de barrido que revelaron la morfolog\u00eda del material y las im\u00e1genes de microscop\u00eda electr\u00f3nica de transmisi\u00f3n para sondear el material \u00e1tomo por \u00e1tomo. Estas investigaciones demostraron que el im\u00e1n no tiene realmente m\u00e1s de un \u00e1tomo de espesor.<\/p>\n\n\n\n A continuaci\u00f3n, 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 radiaci\u00f3n sincrotr\u00f3n de Stanford del laboratorio SLAC National Accelerator, los investigadores describieron las estructuras electr\u00f3nicas y cristalinas del im\u00e1n 2D para diferentes concentraciones de cobalto.<\/p>\n\n\n\n Seg\u00fan los resultados, el material de grafeno-\u00f3xido de zinc se vuelve magn\u00e9tico a una concentraci\u00f3n de cobalto del 5-6%, mientras que al aumentar la concentraci\u00f3n al 12% se obtiene un im\u00e1n muy potente. Los experimentos no solo demostraron que el material conserva su magnetismo a temperatura ambiente, sino que tambi\u00e9n puede soportar temperaturas de hasta 100\u00b0C. El nuevo material tambi\u00e9n se puede doblar en casi cualquier forma sin romperse.<\/p>\n\n\n\n \u201cNuestro sistema magn\u00e9tico 2D muestra un mecanismo distinto en comparaci\u00f3n con los imanes 2D anteriores\u201d, dijo Chen. “Y creemos que este mecanismo \u00fanico se debe a los electrones libres en el \u00f3xido de zinc”.<\/p>\n\n\n\n Posibles aplicaciones en inform\u00e1tica y electr\u00f3nica “Creo que el descubrimiento de este im\u00e1n nuevo, robusto y verdaderamente bidimensional a temperatura ambiente es un avance genuino de Jie Yao y sus estudiantes”, dijo el coautor Robert Birgeneau, cient\u00edfico senior de la facultad de la Divisi\u00f3n de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y profesor de f\u00edsica en UC Berkeley, quien codirigi\u00f3 las mediciones magn\u00e9ticas del estudio. \u201cAdem\u00e1s de su importancia obvia para los dispositivos espintr\u00f3nicos, este im\u00e1n 2D es fascinante a nivel at\u00f3mico, revelando por primera vez c\u00f3mo los \u00e1tomos magn\u00e9ticos de cobalto interact\u00faan en distancias ‘largas’ a trav\u00e9s de una compleja red bidimensional\u201d, agreg\u00f3. Los resultados son incluso mejores de lo que esper\u00e1bamos, lo cual es realmente emocionante. La mayor parte del tiempo en ciencia, los experimentos pueden ser muy desafiantes\u201d, dijo. “Pero cuando finalmente te das cuenta de algo nuevo, siempre es muy gratificante”.<\/p>\n\n\n\n
<\/strong>Los dispositivos de almacenamiento modernos que almacenan datos bas\u00e1ndose en un medio magnetizado suelen contener pel\u00edculas magn\u00e9ticas muy delgadas. Estas pel\u00edculas pueden tener solo miles o incluso cientos de \u00e1tomos de espesor, lo que es impresionante en s\u00ed mismo, pero los cient\u00edficos siempre quieren traspasar los l\u00edmites.<\/p>\n\n\n\n
<\/strong>Los datos se escriben en una memoria magn\u00e9tica, como un disco duro magn\u00e9tico, cambiando la direcci\u00f3n de los dos polos (norte y sur) de los imanes microsc\u00f3picos utilizando un campo magn\u00e9tico externo. Los electrones libres en el im\u00e1n 2D siempre siguen la direcci\u00f3n de las corrientes el\u00e9ctricas y aseguran que los \u00e1tomos de cobalto magn\u00e9tico en el material contin\u00faen apuntando en la misma direcci\u00f3n, permaneciendo as\u00ed magn\u00e9ticos. Esta propiedad podr\u00eda abrir la puerta a aplicaciones en electr\u00f3nica de esp\u00edn, tambi\u00e9n conocida como espintr\u00f3nica, mediante la cual los datos se pueden codificar en el esp\u00edn de un electr\u00f3n en lugar de su carga.<\/p>\n\n\n\n