การอบในเตาอบในห้องปฏิบัติการแบบธรรมดาได้เปลี่ยนส่วนผสมให้เป็นชั้นอะตอมเดียวของซิงค์ออกไซด์ที่มีอะตอมโคบอลต์กระจายอยู่ตรงกลางระหว่างชั้นของกราฟีน ในขั้นตอนสุดท้าย กราฟีนจะถูกเผาทิ้ง โดยเหลือเพียงสังกะสีออกไซด์ที่เจือด้วยโคบอลต์เพียงชั้นเดียว
"เราเป็นคนแรกที่สร้างแม่เหล็ก 2D ที่อุณหภูมิห้องซึ่งมีความเสถียรทางเคมีภายใต้สภาวะแวดล้อม" Jie Yao นักวิทยาศาสตร์ของคณะในแผนก Materials Sciences ของ Berkeley Lab และรองศาสตราจารย์ด้านวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมที่ UC Berkeley กล่าว
Rui Chen นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของ UC Berkeley ในกลุ่ม Yao Research Group กล่าวว่า "การค้นพบนี้น่าตื่นเต้นเพราะไม่เพียงแต่ทำให้แม่เหล็ก 2D เป็นไปได้ที่อุณหภูมิห้องเท่านั้น แต่ยังค้นพบกลไกใหม่ในการตระหนักถึงวัสดุแม่เหล็ก 2D"
วัสดุชนิดใหม่นี้สามารถดัดงอได้เกือบทุกรูปร่างโดยไม่แตกหัก และบางกว่ากระดาษถึงหนึ่งล้านเท่า สามารถช่วยพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สปินหรือสปินทรอนิกส์ที่ใช้ทิศทางการหมุนของอิเล็กตรอนมากกว่าการชาร์จเพื่อเข้ารหัสข้อมูล "แม่เหล็ก 2 มิติของเราอาจทำให้อุปกรณ์สปินทรอนิกส์ขนาดกะทัดรัดพิเศษสามารถออกแบบการหมุนของอิเล็กตรอนได้" เฉินกล่าว
มีฟิล์มแม่เหล็กบางจำนวนมาก แต่สิ่งเหล่านี้ยังคงเป็นวัสดุ 3 มิติที่มีความหนาหลายร้อยหรือหลายพันอะตอม
“แม่เหล็ก 2 มิติที่ล้ำสมัยต้องการอุณหภูมิที่ต่ำมากในการทำงาน แต่ด้วยเหตุผลในทางปฏิบัติ ศูนย์ข้อมูลจำเป็นต้องทำงานที่อุณหภูมิห้อง” เหยากล่าว “แม่เหล็ก 2D ของเราไม่เพียงแต่เป็นแม่เหล็กชนิดแรกที่ทำงานที่อุณหภูมิห้องหรือสูงกว่าเท่านั้น แต่ยังเป็นแม่เหล็กตัวแรกที่บรรลุขีดจำกัด 2D ที่แท้จริงด้วย: มันบางราวกับอะตอมเดียว”
ระบบกราฟีน-สังกะสี-ออกไซด์จะกลายเป็นแม่เหล็กอ่อนๆ โดยมีอะตอมโคบอลต์เข้มข้น 6 เปอร์เซ็นต์ การเพิ่มความเข้มข้นของอะตอมโคบอลต์เป็นประมาณ 12 เปอร์เซ็นต์ส่งผลให้เกิดแม่เหล็กที่แรงมาก
อะตอมโคบอลต์ที่มีความเข้มข้นเกิน 15 เปอร์เซ็นต์จะเปลี่ยนแม่เหล็ก 2D ให้เป็นสถานะควอนตัมที่แปลกใหม่ซึ่งสถานะแม่เหล็กที่แตกต่างกันภายในระบบ 2D แข่งขันกันเอง
นักวิจัยพบว่าแม่เหล็ก 2D ใหม่นี้ไม่เพียงทำงานที่อุณหภูมิห้องเท่านั้น แต่ยังทำงานที่อุณหภูมิ 2 องศาเซลเซียส (100 องศาฟาเรนไฮต์) ซึ่งต่างจากแม่เหล็ก 212 มิติรุ่นก่อนๆ ที่สูญเสียสนามแม่เหล็กที่อุณหภูมิห้องหรือสูงกว่านั้น
"ระบบแม่เหล็ก 2 มิติของเราแสดงกลไกที่แตกต่างจากแม่เหล็ก 2 มิติรุ่นก่อน" นายเฉินกล่าว "และเราคิดว่ากลไกพิเศษนี้เกิดจากอิเล็กตรอนอิสระในซิงค์ออกไซด์"
“ด้วยเนื้อหาของเรา ไม่มีอุปสรรคสำคัญสำหรับอุตสาหกรรมในการนำวิธีการที่ใช้โซลูชันของเรามาใช้” Yao กล่าว “มันสามารถปรับขนาดได้สำหรับการผลิตจำนวนมากด้วยต้นทุนที่ต่ำลง”
เพื่อยืนยันว่าฟิล์ม 2D ที่ได้นั้นมีความหนาเพียงอะตอมเดียว Yao และทีมของเขาได้ทำการทดลองด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดที่โรงหล่อโมเลกุลของ Berkeley Lab เพื่อระบุสัณฐานวิทยาของวัสดุและการถ่ายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (TEM) เพื่อสำรวจอะตอมของวัสดุด้วยอะตอม
การทดลองเอ็กซ์เรย์เพิ่มเติมที่ Stanford Synchrotron Radiation Lightsource ของห้องปฏิบัติการ SLAC National Accelerator ได้ตรวจสอบโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์และคริสตัลของแม่เหล็ก 2D สังเคราะห์ และที่ศูนย์วัสดุนาโนสเกลของ Argonne National Laboratory นักวิจัยได้ใช้ TEM เพื่อสร้างภาพโครงสร้างผลึกและองค์ประกอบทางเคมีของวัสดุ 2 มิติ
Robert Birgeneau ผู้เขียนร่วมของคณะนักวิทยาศาสตร์อาวุโสในแผนก Materials Sciences Division ของ Berkeley Lab และศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ที่ UC Berkeley กล่าวว่า "ฉันเชื่อว่าการค้นพบแม่เหล็กสองมิติที่ทนทานและใหม่อย่างแท้จริงที่อุณหภูมิห้องนี้เป็นความก้าวหน้าอย่างแท้จริง ที่ร่วมเป็นผู้นำการศึกษา
“ผลลัพธ์ของเราดียิ่งกว่าที่เราคาดไว้ ซึ่งน่าตื่นเต้นจริงๆ ส่วนใหญ่แล้วในทางวิทยาศาสตร์ การทดลองอาจเป็นเรื่องที่ท้าทายมาก” เหยากล่าว “แต่ในที่สุด เมื่อคุณได้ตระหนักถึงสิ่งใหม่ มันมักจะเติมเต็มอยู่เสมอ”