حوّل الخبز في فرن معمل تقليدي الخليط إلى طبقة ذرية واحدة من أكسيد الزنك مع تناثر ذرات الكوبالت المحصورة بين طبقات الجرافين. في الخطوة الأخيرة ، يتم حرق الجرافين ، تاركًا وراءه طبقة ذرية واحدة من أكسيد الزنك المشبع بالكوبالت.
قال جي ياو ، عالم هيئة التدريس في قسم علوم المواد في مختبر بيركلي وأستاذ مشارك لعلوم وهندسة المواد في جامعة كاليفورنيا في بيركلي: "نحن أول من صنع مغناطيسًا ثنائي الأبعاد بدرجة حرارة الغرفة يكون مستقرًا كيميائيًا في ظل الظروف المحيطة".
قال روي تشين ، طالب الدراسات العليا بجامعة كاليفورنيا في بيركلي في مجموعة ياو للأبحاث: "هذا الاكتشاف مثير لأنه لا يجعل المغناطيسية ثنائية الأبعاد ممكنة في درجة حرارة الغرفة فحسب ، بل إنه يكشف أيضًا عن آلية جديدة لتحقيق مواد مغناطيسية ثنائية الأبعاد".
يمكن ثني المادة الجديدة في أي شكل تقريبًا دون أن تنكسر ، ويمكن أن تساعد أرق بمليون مرة من ورقة الورق في تطوير تطبيق إلكترونيات الدوران أو الإلكترونيات السينية التي تستخدم اتجاه دوران الإلكترون بدلاً من شحنتها لتشفير البيانات. قال تشين: "قد يمكّن مغناطيسنا ثنائي الأبعاد من تشكيل أجهزة سبنترونية فائقة الصغر لهندسة دوران الإلكترونات".
هناك العديد من الأغشية المغناطيسية الرقيقة ولكنها لا تزال مواد ثلاثية الأبعاد بسمك مئات أو آلاف الذرات.
"المغناطيسات المتطورة ثنائية الأبعاد تحتاج إلى درجات حرارة منخفضة جدًا لتعمل. قال ياو "ولكن لأسباب عملية ، يجب أن يعمل مركز البيانات في درجة حرارة الغرفة". "مغناطيسنا ثنائي الأبعاد ليس فقط الأول الذي يعمل في درجة حرارة الغرفة أو أعلى ، ولكنه أيضًا أول مغناطيس يصل إلى الحد الحقيقي ثنائي الأبعاد: إنه رقيق مثل ذرة واحدة."
يصبح نظام أكسيد الجرافين والزنك مغناطيسيًا ضعيفًا بتركيز 6 بالمائة من ذرات الكوبالت. تؤدي زيادة تركيز ذرات الكوبالت إلى حوالي 12 بالمائة إلى وجود مغناطيس قوي جدًا.
يؤدي تجاوز تركيز 15 في المائة من ذرات الكوبالت إلى تحويل المغناطيس ثنائي الأبعاد إلى حالة كمية غريبة حيث تتنافس حالات مغناطيسية مختلفة داخل النظام ثنائي الأبعاد مع بعضها البعض.
وعلى عكس المغناطيسات ثنائية الأبعاد السابقة ، التي تفقد مغناطيسيتها في درجة حرارة الغرفة أو أعلى ، وجد الباحثون أن المغناطيس ثنائي الأبعاد الجديد لا يعمل فقط في درجة حرارة الغرفة ولكن أيضًا عند 2 درجة مئوية (2 درجة فهرنهايت).
قال تشين: "يُظهر نظامنا المغناطيسي ثنائي الأبعاد آلية متميزة مقارنة بالمغناطيسات ثنائية الأبعاد السابقة". "ونعتقد أن هذه الآلية الفريدة ترجع إلى الإلكترونات الحرة في أكسيد الزنك."
قال ياو: "مع موادنا ، لا توجد عقبات كبيرة أمام الصناعة لاعتماد أسلوبنا القائم على الحلول". "من المحتمل أن تكون قابلة للتطوير للإنتاج بالجملة بتكاليف أقل."
للتأكد من أن الفيلم ثنائي الأبعاد الناتج يبلغ سمكه ذرة واحدة فقط ، أجرى ياو وفريقه تجارب المسح المجهري الإلكتروني في مسبك الجزيئات في مختبر بيركلي لتحديد شكل المادة ، والتصوير المجهري الإلكتروني (TEM) لسبر ذرة المادة عن طريق الذرة.
أثبتت تجارب الأشعة السينية الإضافية في Stanford Synchrotron Radiation Lightsource في SLAC National Accelerator Laboratory التابع لـ SLAC الهياكل الإلكترونية والبلورية للمغناطيسات المركبة ثنائية الأبعاد. وفي مركز المواد النانوية بمختبر أرغون الوطني ، استخدم الباحثون TEM لتصوير التركيب البلوري للمادة ثنائية الأبعاد والتركيب الكيميائي.
قال المؤلف المشارك روبرت بيرجينو ، وهو عالم كبير في قسم علوم المواد في مختبر بيركلي وأستاذ الفيزياء في جامعة كاليفورنيا في بيركلي: "أعتقد أن اكتشاف هذا المغناطيس الجديد القوي ثنائي الأبعاد حقًا في درجة حرارة الغرفة هو اختراق حقيقي". الذي شارك في قيادة الدراسة.
"نتائجنا أفضل مما توقعنا ، وهو أمر مثير حقًا. قال ياو: "معظم الوقت في العلم ، يمكن أن تكون التجارب صعبة للغاية". "ولكن عندما تدرك أخيرًا شيئًا جديدًا ، يكون دائمًا مرضيًا للغاية."