Agencias, Ciudad de México.- Científicos de Berkeley han fabricado el primer imán ultrafino de espesor atómico a temperatura ambiente, con aplicación en la emergente memoria espintrónica de alta densidad y la física cuántica.

El componente magnético de los dispositivos de memoria actuales suele estar hecho de películas delgadas magnéticas. Pero a nivel atómico, estas películas magnéticas siguen siendo tridimensionales: cientos o miles de átomos de espesor. Durante décadas, los investigadores han buscado formas de hacer imanes 2-D más delgados y pequeños y, por lo tanto, permitir que los datos se almacenen a una densidad mucho mayor.

Los logros anteriores en el campo de los materiales magnéticos bidimensionales han arrojado resultados prometedores. Pero estos primeros imanes 2-D pierden su magnetismo y se vuelven químicamente inestables a temperatura ambiente.

“Los imanes 2-D de última generación necesitan temperaturas muy bajas para funcionar. Pero por razones prácticas, un centro de datos debe funcionar a temperatura ambiente”, dijo el primer autor Jie Yao, científico de la facultad en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de California Berkeley.

Los investigadores dicen que su descubrimiento también permitirá nuevas oportunidades para estudiar la física cuántica. “Nuestro imán atómicamente delgado ofrece una plataforma óptima para sondear el mundo cuántico”, dijo Yao, cuyo estudio se publica en Nature Communications. “Abre cada átomo para su examen, lo que puede revelar cómo la física cuántica gobierna cada átomo magnético y las interacciones entre ellos. Con un imán a granel convencional donde la mayoría de los átomos magnéticos están profundamente enterrados dentro del material, tales estudios serían bastante desafiante de hacer “.

“En teoría, sabemos que cuanto más pequeño es el imán, mayor es la densidad de datos potenciales del disco. Nuestro imán 2-D no solo es el primero que funciona a temperatura ambiente o superior, sino que también es el primer imán en alcanzar el verdadero 2- Límite D: ¡Es tan delgado como un solo átomo! “

Los investigadores sintetizaron el nuevo imán 2-D, llamado imán de óxido de zinc de van der Waals dopado con cobalto, a partir de una solución de óxido de grafeno, zinc y cobalto. Solo unas pocas horas de cocción en un horno de laboratorio convencional transformaron 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.

“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 2-D resultante tiene solo un átomo de espesor, 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 y obtener imágenes de microscopía electrónica de transmisión para sondear el material átomo por átomo.

Con la prueba en la mano de que su material 2-D realmente tiene solo un átomo de espesor, los investigadores pasaron al siguiente desafío que había confundido a los investigadores durante años: demostrar un imán 2-D que funciona con éxito a temperatura ambiente.

Los experimentos de rayos X en la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab caracterizaron los parámetros magnéticos del material 2-D a alta temperatura. Experimentos de rayos X adicionales en la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford del Laboratorio Nacional de Aceleración de SLAC verificaron las estructuras electrónicas y cristalinas de los imanes 2-D sintetizados. Y en el Centro de Materiales a Nanoescala del Laboratorio Nacional Argonne, los investigadores tomaron imágenes de la estructura cristalina y la composición química del material 2-D utilizando microscopía electrónica de transmisión.

En conjunto, los experimentos de laboratorio del equipo de investigación mostraron que el sistema de óxido de zinc-grafeno se vuelve débilmente magnético con una concentración de 5-6% de átomos de cobalto. El aumento de la concentración de átomos de cobalto a aproximadamente el 12% da como resultado un imán muy fuerte.

Para sorpresa de los investigadores, una concentración de átomos de cobalto superior al 15% desplaza el imán 2-D a un exótico estado cuántico de “frustración”, en el que diferentes estados magnéticos dentro del sistema 2-D compiten entre sí.

Y a diferencia de los imanes 2-D anteriores, que pierden su magnetismo a temperatura ambiente o superior, los investigadores encontraron que el nuevo imán 2-D no solo funciona a temperatura ambiente sino también a 100 grados Celsius.