Hornear en un horno de laboratorio convencional transformó la mezcla en una sola capa atómica de óxido de zinc con un puñado de átomos de cobalto intercalados entre capas de grafeno. En un paso final, el grafeno se quema, dejando solo una capa atómica de óxido de zinc dopado con cobalto.
"Somos los primeros en hacer un imán 2D a temperatura ambiente que es químicamente estable en condiciones ambientales", dijo 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”, dijo Rui Chen, estudiante graduado de UC Berkeley en el Grupo de Investigación Yao.
El nuevo material se puede doblar en casi cualquier forma sin romperse, y es un millón de veces más delgado que una hoja de papel que podría ayudar a avanzar en la aplicación de la electrónica de espín o la espintrónica que utiliza la orientación del espín de un electrón en lugar de su carga para codificar datos. “Nuestro imán 2D puede permitir la formación de dispositivos espintrónicos ultracompactos para diseñar los espines de los electrones”, dijo Chen.
Hay muchas películas delgadas magnéticas, pero estos siguen siendo materiales 3D que tienen cientos o miles de átomos de espesor.
“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. “Nuestro imán 2D no solo es el primero que funciona a temperatura ambiente o superior, sino que también es el primer imán en alcanzar el límite 2D real: es tan delgado como un solo átomo”.
El sistema de óxido de zinc-grafeno se vuelve débilmente magnético con una concentración del 6 por ciento de átomos de cobalto. El aumento de la concentración de átomos de cobalto a aproximadamente el 12 por ciento da como resultado un imán muy fuerte.
Exceder una concentración de átomos de cobalto del 15 por ciento cambia el imán 2D a un estado cuántico exótico donde diferentes estados magnéticos dentro del sistema 2D compiten entre sí.
Y a diferencia de los imanes 2D anteriores, que pierden su magnetismo a temperatura ambiente o superior, los investigadores encontraron que el nuevo imán 2D no solo funciona a temperatura ambiente sino también a 100 grados Celsius (212 grados Fahrenheit).
"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".
“Con nuestro material, no existen obstáculos importantes para que la industria adopte nuestro método basado en soluciones”, dijo Yao. "Es potencialmente escalable para la producción en masa a costos más bajos".
Para confirmar que la película 2D resultante tiene solo un átomo de grosor, Yao y su equipo llevaron a cabo experimentos de microscopía electrónica de barrido en la fundición molecular de Berkeley Lab para identificar la morfología del material, e imágenes de microscopía electrónica de transmisión (TEM) para sondear el material átomo por átomo.
Experimentos de rayos X adicionales en la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford del Laboratorio Nacional de Aceleradores de SLAC verificaron las estructuras electrónicas y cristalinas de los imanes 2D sintetizados. Y en el Centro de Materiales a Nanoescala del Laboratorio Nacional Argonne, los investigadores emplearon TEM para obtener imágenes de la estructura cristalina y la composición química del material 2D.
"Creo que el descubrimiento de este imán nuevo, robusto y verdaderamente bidimensional a temperatura ambiente es un avance genuino", dijo el coautor Robert Birgeneau, científico principal de la facultad de la División de Ciencias de Materiales del Laboratorio de Berkeley y profesor de física en la UC Berkeley. quien codirigió el estudio.
“Nuestros 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 Yao. "Pero cuando finalmente te das cuenta de algo nuevo, siempre es muy gratificante".