目前,存儲(chǔ)設(shè)備的磁性組件大多由磁性薄膜制成。在原子水平上,這些磁性薄膜仍然是三維的——數(shù)百或數(shù)千個(gè)原子厚。但是磁體會(huì)占用本可被用于編碼信息的空間,從而影響存儲(chǔ)容量。因此,幾十年來,科學(xué)家們一直在尋找制造更薄、更小的二維磁體的方法。

近期,能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和加州大學(xué)伯克利分校的研究人員開發(fā)出世界上最薄的磁體——只有單原子厚度的柔性氧化鋅和鈷薄膜。這種磁鐵與以前開發(fā)的類似材料不同,它不僅可以使數(shù)據(jù)以更高的密度存儲(chǔ),還能夠在室溫下運(yùn)行。

通常認(rèn)為,納米級(jí)磁體必須要在-195℃左右的低溫以維持磁場(chǎng)。但這種新磁體的二維晶格在室溫下也可以完美保持功能,它甚至能在更高溫,甚至足以將水煮沸的環(huán)境中保持磁化狀態(tài)。

在新磁體的開發(fā)過程中,研究人員從氧化石墨烯、鋅和鈷的混合物開始,在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行烘烤,變成了一層遍布鈷原子的氧化鋅。這層厚度僅為一個(gè)原子,被夾在兩層石墨烯之間,然后將其燒掉,留下一層磁性的二維薄膜。

通過后續(xù)實(shí)驗(yàn),研究小組發(fā)現(xiàn)可以通過改變材料中鈷的含量來調(diào)整磁性。最終,他們找到了最佳比例:約12%的鈷含量——鈷低于6%時(shí)磁體會(huì)弱到無法發(fā)揮功用,超過15%時(shí)磁體又會(huì)變得不穩(wěn)定。這樣的“黃金比例”,使得該材料在高達(dá)100℃的溫度下都保持出色的磁力。

 此外,這種磁體可以激發(fā)電子進(jìn)入“量子疊加”狀態(tài),允許粒子同時(shí)占據(jù)多個(gè)狀態(tài)。這樣可以借助自旋向上、向下、或同時(shí)向上向下這三種狀態(tài)存儲(chǔ)數(shù)據(jù),而不是通常情況下的前兩種狀態(tài)。

總的來說,目前使用的存儲(chǔ)設(shè)備依賴于非常薄的磁性薄膜,但這些薄膜往往是三維的,測(cè)量起來有數(shù)百或數(shù)千個(gè)原子厚。而該磁體達(dá)到真正的二維極限,僅有一個(gè)原子厚度,使數(shù)據(jù)能夠以極高的密度存儲(chǔ)。

未來,期待該超薄磁鐵可以在下一代存儲(chǔ)器、計(jì)算、自旋電子學(xué)和量子物理學(xué)方面大展身手。