La cuisson dans un four de laboratoire conventionnel a transformé le mélange en une seule couche atomique d'oxyde de zinc avec une poignée d'atomes de cobalt pris en sandwich entre des couches de graphène. Dans une dernière étape, le graphène est brûlé, ne laissant qu'une seule couche atomique d'oxyde de zinc dopé au cobalt.
"Nous sommes les premiers à fabriquer un aimant 2D à température ambiante qui est chimiquement stable dans des conditions ambiantes", a déclaré Jie Yao, chercheur à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux à l'UC Berkeley.
"Cette découverte est passionnante car non seulement elle rend le magnétisme 2D possible à température ambiante, mais elle découvre également un nouveau mécanisme pour réaliser des matériaux magnétiques 2D", a déclaré Rui Chen, étudiant diplômé de l'UC Berkeley au Yao Research Group.
Le nouveau matériau peut être plié dans presque n'importe quelle forme sans se casser, et est un million de fois plus mince qu'une feuille de papier. "Notre aimant 2D peut permettre la formation de dispositifs spintroniques ultra-compacts pour concevoir les spins des électrons", a déclaré Chen.
Il existe de nombreux films minces magnétiques mais ce sont toujours des matériaux 3D qui ont des centaines ou des milliers d'atomes d'épaisseur.
« Les aimants 2D à la pointe de la technologie ont besoin de températures très basses pour fonctionner. Mais pour des raisons pratiques, un centre de données doit fonctionner à température ambiante », a déclaré Yao. « Notre aimant 2D n'est pas seulement le premier à fonctionner à température ambiante ou plus, mais c'est aussi le premier aimant à atteindre la véritable limite 2D : il est aussi fin qu'un seul atome.
Le système graphène-oxyde de zinc devient faiblement magnétique avec une concentration de 6 pour cent d'atomes de cobalt. L'augmentation de la concentration d'atomes de cobalt à environ 12 pour cent donne un aimant très puissant.
Le dépassement d'une concentration de 15 pour cent d'atomes de cobalt déplace l'aimant 2D dans un état quantique exotique où différents états magnétiques au sein du système 2D sont en concurrence les uns avec les autres.
Et contrairement aux aimants 2D précédents, qui perdent leur magnétisme à température ambiante ou supérieure, les chercheurs ont découvert que le nouvel aimant 2D fonctionne non seulement à température ambiante mais aussi à 100 degrés Celsius (212 degrés Fahrenheit).
"Notre système magnétique 2D montre un mécanisme distinct par rapport aux aimants 2D précédents", a déclaré Chen. "Et nous pensons que ce mécanisme unique est dû aux électrons libres dans l'oxyde de zinc."
"Avec notre matériel, il n'y a pas d'obstacles majeurs pour que l'industrie adopte notre méthode basée sur des solutions", a déclaré Yao. « C'est potentiellement évolutif pour une production de masse à moindre coût. »
Pour confirmer que le film 2D obtenu n'a qu'un atome d'épaisseur, Yao et son équipe ont mené des expériences de microscopie électronique à balayage à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab pour identifier la morphologie du matériau et une imagerie par microscopie électronique à transmission (MET) pour sonder le matériau atome par atome.
Des expériences de rayons X supplémentaires à la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford du Laboratoire national de l'accélérateur du SLAC ont vérifié les structures électroniques et cristallines des aimants 2D synthétisés. Et au Centre pour les matériaux à l'échelle nanométrique du Laboratoire national d'Argonne, les chercheurs ont utilisé la MET pour imager la structure cristalline et la composition chimique du matériau 2D.
"Je pense que la découverte de ce nouvel aimant robuste et véritablement bidimensionnel à température ambiante est une véritable percée", a déclaré le co-auteur Robert Birgeneau, chercheur principal à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et professeur de physique à l'UC Berkeley. qui a co-dirigé l'étude.
« Nos résultats sont encore meilleurs que ce à quoi nous nous attendions, ce qui est vraiment excitant. La plupart du temps en science, les expériences peuvent être très difficiles », a déclaré Yao. "Mais quand vous réalisez enfin quelque chose de nouveau, c'est toujours très gratifiant."