O desenvolvimento de um ímã ultrafino que opera em temperatura ambiente pode levar a novas aplicações em computação e eletrônica – como dispositivos de memória spintrônica compactos de alta densidade – e novas ferramentas para o estudo da física quântica.
O ímã ultrafino, que foi recentemente publicado na revista Nature Communications, pode fazer grandes avanços nas memórias de próxima geração, computação, spintrônica e física quântica. Foi descoberto por cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) e da UC Berkeley.
“Somos os primeiros a fazer um ímã 2-D à temperatura ambiente que é quimicamente estável em condições ambientais”, disse o autor sênior Jie Yao, cientista da Divisão de Ciências de Materiais do Laboratório de Berkeley e professor associado de ciência e engenharia de materiais na UC Berkeley.
“Esta descoberta é empolgante porque não só torna o magnetismo 2-D possível à temperatura ambiente, mas também revela um novo mecanismo para realizar materiais magnéticos 2-D”, acrescentou Rui Chen, um estudante graduado da UC Berkeley no Grupo de Pesquisa Yao e líder autor do estudo. ”
O componente magnético dos dispositivos de memória de hoje é normalmente feito de filmes finos magnéticos. Mas, no nível atômico, esses filmes magnéticos ainda são tridimensionais – com centenas ou milhares de átomos de espessura. Durante décadas, os pesquisadores buscaram maneiras de fazer ímãs 2-D mais finos e menores e, assim, permitir que os dados fossem armazenados em uma densidade muito maior.
Conquistas anteriores no campo de materiais magnéticos 2-D trouxeram resultados promissores. Mas esses primeiros ímãs 2-D perdem seu magnetismo e se tornam quimicamente instáveis à temperatura ambiente.
“Os ímãs 2-D de última geração precisam de temperaturas muito baixas para funcionar. Mas, por razões práticas, um data center precisa funcionar em temperatura ambiente”, disse Yao. “Teoricamente, sabemos que quanto menor o ímã, maior a densidade potencial de dados do disco. Nosso ímã 2-D não é apenas o primeiro a operar em temperatura ambiente ou superior, mas também é o primeiro ímã a atingir o verdadeiro 2- Limite D: é tão fino quanto um único átomo! ”
Os pesquisadores afirmam que sua descoberta também possibilitará novas oportunidades de estudar a física quântica. “Nosso ímã atomicamente fino oferece uma plataforma ideal para sondar o mundo quântico”, disse Yao. “Ele abre cada átomo para exame, o que pode revelar como a física quântica governa cada átomo magnético e as interações entre eles. Com um ímã convencional em que a maioria dos átomos magnéticos estão profundamente enterrados dentro do material, esses estudos seriam bastante desafiador de fazer. ”
A fabricação de um ímã 2-D que pode receber o calor
Os pesquisadores sintetizaram o novo ímã 2-D – chamado de ímã de óxido de zinco dopado com cobalto van der Waals – a partir de uma solução de óxido de grafeno, zinco e cobalto. Apenas algumas horas de cozimento em um forno de laboratório convencional transformaram a mistura em uma única camada atômica de óxido de zinco com um punhado de átomos de cobalto imprensado entre camadas de grafeno. Em uma etapa final, o grafeno é queimado, deixando para trás apenas uma única camada atômica de óxido de zinco dopado com cobalto.
“Com nosso material, não há grandes obstáculos para que a indústria adote nosso método baseado em soluções”, disse Yao. “É potencialmente escalonável para produção em massa a custos mais baixos.”
Para confirmar que o filme 2-D resultante tem apenas um átomo de espessura, Yao e sua equipe conduziram experimentos de microscopia eletrônica de varredura na Fundição Molecular do Berkeley Lab para identificar a morfologia do material e imagens de microscopia eletrônica de transmissão para sondar o material átomo por átomo.
Com a prova em mãos de que seu material 2-D realmente tem apenas um átomo de espessura, os pesquisadores passaram para o próximo desafio que confundiu os pesquisadores por anos: demonstrar um ímã 2-D que opera com sucesso em temperatura ambiente.
Os experimentos de raios-X na fonte de luz avançada do Berkeley Lab caracterizaram os parâmetros magnéticos do material 2-D sob alta temperatura. Experimentos adicionais de raios-X no Laboratório Nacional do Acelerador SLAC, Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, verificaram as estruturas eletrônicas e de cristal dos ímãs 2-D sintetizados. E no Centro de Materiais em Nanoescala do Laboratório Nacional de Argonne, os pesquisadores fotografaram a estrutura cristalina e a composição química do material 2-D usando microscopia eletrônica de transmissão.
Como um todo, os experimentos de laboratório da equipe de pesquisa mostraram que o sistema de óxido de grafeno-zinco torna-se fracamente magnético com uma concentração de 5-6% de átomos de cobalto. Aumentar a concentração de átomos de cobalto para cerca de 12% resulta em um ímã muito forte.
Para a surpresa dos pesquisadores, uma concentração de átomos de cobalto excedendo 15% muda o ímã 2-D para um exótico estado quântico de “frustração”, em que diferentes estados magnéticos dentro do sistema 2-D competem entre si.
E ao contrário dos ímãs 2-D anteriores, que perdem seu magnetismo em temperatura ambiente ou acima, os pesquisadores descobriram que o novo ímã 2-D não só funciona à temperatura ambiente, mas também a 100 graus Celsius (212 graus Fahrenheit).
“Nosso sistema magnético 2-D mostra um mecanismo distinto em comparação com os ímãs 2-D anteriores”, disse Chen. “E achamos que esse mecanismo único se deve aos elétrons livres no óxido de zinco.”
Norte verdadeiro: elétrons livres mantêm átomos magnéticos no caminho certo
Quando você comanda seu computador para salvar um arquivo, essa informação é armazenada como uma série de uns e zeros na memória magnética do computador, como o disco rígido magnético ou uma memória flash. E como todos os ímãs, os dispositivos de memória magnética contêm ímãs microscópicos com dois pólos – norte e sul, cujas orientações seguem a direção de um campo magnético externo. Os dados são gravados ou codificados quando esses pequenos ímãs são virados para as direções desejadas.
De acordo com Chen, os elétrons livres do óxido de zinco podem atuar como um intermediário que garante que os átomos magnéticos de cobalto no novo dispositivo 2-D continuem apontando na mesma direção – e, portanto, permaneçam magnéticos – mesmo quando o hospedeiro, neste caso o óxido de zinco semicondutor , é um material não magnético.
“Os elétrons livres são constituintes das correntes elétricas. Eles se movem na mesma direção para conduzir eletricidade”, acrescentou Yao, comparando o movimento dos elétrons livres em metais e semicondutores ao fluxo de moléculas de água em um fluxo de água.
Os pesquisadores dizem que o novo material – que pode ser dobrado em quase qualquer forma sem quebrar e tem 1 milionésimo da espessura de uma única folha de papel – poderia ajudar no avanço da aplicação da eletrônica de spin ou spintrônica, uma nova tecnologia que usa a orientação de o spin de um elétron em vez de sua carga para codificar os dados. “Nosso ímã 2-D pode permitir a formação de dispositivos spintrônicos ultracompactos para projetar os spins dos elétrons”, disse Chen.
“Acredito que a descoberta deste novo ímã robusto e verdadeiramente bidimensional em temperatura ambiente é um verdadeiro avanço por Jie Yao e seus alunos”, disse o co-autor Robert Birgeneau, cientista sênior do Berkeley Lab’s Materials Sciences Division e professor de física da UC Berkeley que co-liderou as medições magnéticas do estudo. “Além de sua importância óbvia para dispositivos spintrônicos, este ímã 2-D é fascinante no nível atômico, revelando pela primeira vez como os átomos magnéticos de cobalto interagem em distâncias ‘longas'” através de uma rede bidimensional complexa, acrescentou.
?Nossos resultados são ainda melhores do que esperávamos, o que é realmente empolgante. Na maioria das vezes, na ciência, os experimentos podem ser muito desafiadores?, disse ele. “Mas quando você finalmente percebe algo novo, é sempre muito gratificante.”
Publicado em 23/07/2021 03h25
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