单原子厚二维磁铁可在室温下工作

掺钴氧化锌单层膜中磁耦合的示意图。红色、蓝色和黄色球体分别代表钴、氧和锌原子 。
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科技日报记者 刘霞

据物理学家组织网20日报道，美国科学家在最新一期《自然·通讯》杂志上发表论文称，他们首次研制出一种单原子厚且能在室温下工作的超薄磁体，有望应用于下一代存储器、计算机、自旋电子学以及量子物理等领域。

现有存储设备的磁性部件通常由磁性薄膜制成，但在原子尺度上，这些磁性薄膜仍是三维的，有几百到几千个原子厚。几十年来，研究人员一直希望制造出更纤薄的二维磁铁，从而实现更高密度的数据存储。

在最新研究中，美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校的科学家首先利用氧化石墨烯、锌和钴制造出混合溶液，随后将其烘烤几小时，最后烧掉石墨烯，得到了被称为掺钴范德华氧化锌磁铁的新型二维磁体。借助透射电子显微镜成像对原子进行逐个分析后，研究人员证明最新材料仅单个原子厚。

研究人员称，与以前的二维磁体在室温或更高温度下会失去磁性不同，这种新型二维磁体不仅能在室温下工作，在100℃下也能工作，其独特的机制要归功于氧化锌中的自由电子。这些自由电子可以作为媒介，确保新二维器件中的磁性钴原子继续指向同一个方向，从而保持磁性。

他们表示，新磁铁的厚度为一张纸的百万分之一，可以弯曲成几乎任何形状而不会断裂，有望应用于自旋电子学领域——这种新技术利用电子自旋的方向而非电子的电荷来编码数据。此外，这种新材料首次揭示了钴磁性原子如何通过复杂的二维网络“远距离”相互作用，提供了一个探测量子世界的最佳平台。

该研究资深作者、加州大学伯克利分校材料科学和工程学副教授姚杰（音译）说：“这是科学家首次制造出能在室温下保持化学稳定性的二维磁铁。这一发现令人兴奋，因为它不仅使二维磁性在室温下成为可能，而且还揭示了实现二维磁性材料的一种新机制。工业界可以借助我们的方法和材料，以更低成本进行大规模生产。”