אפייה בתנור מעבדה קונבנציונאלי הפכה את התערובת לשכבה אטומית אחת של תחמוצת אבץ עם מעט אטומי קובלט הדרוכים בין שכבות הגרפן. בשלב אחרון, הגרפן נשרף והותיר אחריו רק שכבה אטומית אחת של תחמוצת אבץ מסוממת קובלט.
"אנחנו הראשונים לייצר מגנט דו-ממדי בטמפרטורת החדר שהוא יציב מבחינה כימית בתנאי סביבה", אמרה ג'י יאו, מדריכת סגל בחטיבת מדעי החומרים של מעבדת ברקלי ופרופסור למדעי החומרים והנדסה באוניברסיטת ברקלי.
"תגלית זו מרגשת מכיוון שהיא לא רק מאפשרת מגנטיות דו -ממדית בטמפרטורת החדר, אלא היא גם חושפת מנגנון חדש למימוש חומרים מגנטיים דו -ממדיים", אמר רואי חן, סטודנט לתואר שני בקבוצת המחקר של יאו בברקלי.
ניתן לכופף את החומר החדש כמעט לכל צורה מבלי להישבר, והוא דק פי מיליון מכפי שגיליון נייר יכול לסייע בקידום היישום של אלקטרוניקה ספין או ספינטרוניקה המשתמשת בכיוון של סיבוב של אלקטרון ולא במטען שלו לקודד נתונים. "מגנט הדו מימד שלנו עשוי לאפשר יצירת מכשירים ספינטרוניים אולטרה קומפקטיים כדי להנדס את סיבובי האלקטרונים", אמר חן.
ישנם סרטים דקים מגנטיים רבים אך עדיין מדובר בחומרים תלת מימדיים שעוביים מאות או אלפי אטומים.
"מגנטים דו-ממדיים משוכללים זקוקים לטמפרטורות נמוכות מאוד כדי לתפקד. אך מסיבות מעשיות, מרכז נתונים צריך לפעול בטמפרטורת החדר ", אמר יאו. "המגנט הדו -ממדי שלנו הוא לא רק הראשון שפועל בטמפרטורת החדר ומעלה, אלא שהוא גם המגנט הראשון שמגיע לגבול הדו -ממדי האמיתי: הוא דק כמו אטום בודד."
מערכת הגרפן-אבץ-תחמוצת הופכת מגנטית חלשה עם ריכוז של 6 אחוזים של אטומי קובלט. הגדלת ריכוז האטומים לקובלט לכ -12 אחוזים מביאה למגנט חזק מאוד.
חריגה מריכוז של 15 אחוז אטומי קובלט מעבירה את המגנט הדו -ממדי למצב קוונטי אקזוטי בו מצבים מגנטיים שונים בתוך מערכת הדו -ממד מתחרים זה בזה.
ובניגוד למגנטים דו -ממדיים קודמים, אשר מאבדים את המגנטיות שלהם בטמפרטורת החדר ומעלה, החוקרים מצאו כי המגנט הדו -ממדי החדש פועל לא רק בטמפרטורת החדר אלא גם ב -2 מעלות צלזיוס (2 מעלות פרנהייט).
"המערכת המגנטית הדו -ממדית שלנו מציגה מנגנון מובהק בהשוואה למגנטים דו -ממדיים קודמים", אמר חן. "ואנו חושבים שמנגנון ייחודי זה נובע מהאלקטרונים החופשיים שבתחמוצת האבץ."
"עם החומר שלנו, אין מכשולים גדולים לתעשייה לאמץ את השיטה המבוססת על פתרונות שלנו", אמר יאו. "זה אפשרי להרחבה לייצור המוני בעלויות נמוכות יותר."
כדי לאשר כי הסרט הדו -ממדי שהתקבל הוא בעובי אטום אחד בלבד, יאו וצוותו ערכו ניסויי מיקרוסקופיית אלקטרונים בסריקת היציקה המולקולרית של מעבדת ברקלי כדי לזהות את המורפולוגיה של החומר ואת הדמיה של מיקרוסקופ אלקטרונים שידור (TEM) כדי לחקור את אטום החומר על ידי אטום.
ניסויים נוספים בצילום רנטגן במעבד האצה הלאומי SLAC של מעבדת הסטנפורד סינכרוטרון של סטנפורד, אימתו את המבנים האלקטרוניים והגבישיים של המגנטים הדו-ממד המסונתזים. ובמרכז המעבדה הלאומית של ארגונה לחומרים ננומיים, החוקרים השתמשו ב- TEM כדי לדמיין את מבנה הגבישים של החומר הדו -ממדי וההרכב הכימי שלו.
"אני מאמין שגילויו של המגנט החדש, החזק והמדויק באמת בטמפרטורת החדר הוא פריצת דרך אמיתית", אמר מחבר שותף רוברט בירגנאו, מדען בכיר בפקולטה בחטיבת מדעי החומרים בברקלי מעבדה ופרופסור לפיסיקה באוניברסיטת ברקלי. מי שהוביל את המחקר.
“התוצאות שלנו אפילו טובות ממה שציפינו, וזה ממש מרגש. רוב הזמן במדע, ניסויים יכולים להיות מאתגרים מאוד ", אמר יאו. "אבל כשאתה סוף סוף מבין משהו חדש, זה תמיד מאוד מספק."