Geleneksel bir laboratuar fırınında pişirme, karışımı, grafen katmanları arasına sıkıştırılmış bir miktar kobalt atomu ile tek bir atomik çinko oksit katmanına dönüştürdü. Son aşamada, grafen yakılarak geride yalnızca tek bir atomik kobalt katkılı çinko oksit tabakası bırakılıyor.
Berkeley Laboratuvarı Malzeme Bilimleri Bölümü'nde öğretim üyesi bilim adamı ve UC Berkeley'de malzeme bilimi ve mühendisliği doçenti olan Jie Yao, "Ortam koşulları altında kimyasal olarak stabil olan, oda sıcaklığında 2 boyutlu bir mıknatıs yapan ilk biziz" dedi.
Yao Araştırma Grubu'nda UC Berkeley yüksek lisans öğrencisi olan Rui Chen, "Bu keşif heyecan verici çünkü sadece oda sıcaklığında 2 boyutlu manyetizmayı mümkün kılmakla kalmıyor, aynı zamanda 2 boyutlu manyetik malzemeleri gerçekleştirmek için yeni bir mekanizmayı da ortaya çıkarıyor" dedi.
Yeni malzeme, kırılmadan hemen hemen her şekle getirilebiliyor ve bir kağıt yaprağından milyon kat daha ince; verileri kodlamak için elektronun yükünden ziyade dönüş yönünü kullanan spin elektroniği veya spintronik uygulamalarının ilerlemesine yardımcı olabilir. Chen, "2 boyutlu mıknatısımız, elektronların dönüşlerini düzenlemek için ultra kompakt spintronik cihazların oluşmasını sağlayabilir" dedi.
Çok sayıda manyetik ince film var ama bunlar yine de yüzlerce veya binlerce atom kalınlığındaki 3 boyutlu malzemeler.
"Son teknoloji 2D mıknatısların çalışması için çok düşük sıcaklıklara ihtiyaç var. Ancak pratik nedenlerden dolayı bir veri merkezinin oda sıcaklığında çalışması gerekiyor" dedi Yao. "2 boyutlu mıknatısımız yalnızca oda sıcaklığında veya daha yüksek sıcaklıkta çalışan ilk mıknatıs değil, aynı zamanda gerçek 2 boyutlu limite ulaşan ilk mıknatıstır: Tek bir atom kadar incedir."
Grafen-çinko-oksit sistemi, yüzde 6'lık kobalt atomu konsantrasyonuyla zayıf manyetik hale gelir. Kobalt atomlarının konsantrasyonunu yaklaşık yüzde 12'ye çıkarmak çok güçlü bir mıknatısla sonuçlanır.
Yüzde 15'lik kobalt atomu konsantrasyonunun aşılması, 2B mıknatısı, 2B sistem içindeki farklı manyetik durumların birbirleriyle rekabet halinde olduğu egzotik bir kuantum durumuna kaydırır.
Oda sıcaklığında veya daha yüksek sıcaklıklarda manyetizmalarını kaybeden önceki 2 boyutlu mıknatısların aksine, araştırmacılar yeni 2 boyutlu mıknatısın sadece oda sıcaklığında değil aynı zamanda 100 santigrat derecede (212 Fahrenheit derece) çalıştığını buldu.
Chen, "2 boyutlu manyetik sistemimiz önceki 2 boyutlu mıknatıslarla karşılaştırıldığında farklı bir mekanizma gösteriyor" dedi. "Ve bu eşsiz mekanizmanın çinko oksitteki serbest elektronlardan kaynaklandığını düşünüyoruz."
Yao, "Malzememiz sayesinde endüstrinin çözüme dayalı yöntemimizi benimsemesi için büyük bir engel yok" dedi. "Daha düşük maliyetlerle seri üretim için potansiyel olarak ölçeklenebilir."
Ortaya çıkan 2D filmin yalnızca bir atom kalınlığında olduğunu doğrulamak için Yao ve ekibi, malzemenin morfolojisini tanımlamak için Berkeley Laboratuvarı Moleküler Dökümhanesinde taramalı elektron mikroskobu deneyleri ve malzemeyi atom atom araştırmak için transmisyon elektron mikroskobu (TEM) görüntüleme gerçekleştirdi.
SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı'nın Stanford Synchrotron Radyasyon Işık Kaynağı'ndaki ek X-ışını deneyleri, sentezlenen 2D mıknatısların elektronik ve kristal yapılarını doğruladı. Argonne Ulusal Laboratuvarı'nın Nano Ölçekli Malzemeler Merkezi'ndeki araştırmacılar, 2 boyutlu malzemenin kristal yapısını ve kimyasal bileşimini görüntülemek için TEM'i kullandılar.
Berkeley Laboratuvarı Malzeme Bilimleri Bölümü'nde öğretim üyesi kıdemli bilim insanı ve UC Berkeley'de fizik profesörü olan ortak yazar Robert Birgeneau, "Bu yeni, sağlam, gerçekten iki boyutlu mıknatısın oda sıcaklığında keşfinin gerçek bir atılım olduğuna inanıyorum" dedi. Çalışmanın eş liderliğini yapan kişi.
"Sonuçlarımız beklediğimizden bile daha iyi ve bu gerçekten heyecan verici. Yao, bilimde çoğu zaman deneyler çok zorlayıcı olabiliyor" dedi. "Ama sonunda yeni bir şeyin farkına vardığınızda, bu her zaman çok tatmin edicidir."