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世界上最薄的磁铁：仅有一个原子厚度，可在室温工作

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存储设备的磁性组件通常由磁性薄膜制成。在原子层面，这些磁性薄膜仍然是三维——成百上千个原子的厚度。现有的二维磁体因室温下化学不稳定而失去磁性，限制了该技术的实用性。开发在室温下运行的超薄磁铁可能会带来计算和电子领域的新应用。
近日，来自美国劳伦斯伯克利国家实验室、加州大学伯克利分校和中国南京大学的研究团队开发了一种超薄磁体——只有一个原子的厚度，能够在室温下工作。可应用于下一代存储器、计算、自旋电子学和量子物理学等方面。
「我们的二维磁体不仅是第一个在室温或更高温度下运行的磁体，而且还是第一个达到真正二维极限的磁体：它像单个原子一样薄。」通讯作者、加州大学材料科学与工程副教授姚杰（Jie Yao）说。
「这一发现令人兴奋，因为它不仅使室温下的二维磁性成为可能，而且还揭示了一种实现二维磁性材料的新机制。」该研究的第一作者陈锐（Rui Chen）补充道。
该研究以「Tunable room-temperature ferromagnetism in Co-doped two-dimensional van der Waals ZnO」为题发表在《自然·通讯》（Nature Communications）杂志上。
几十年来，研究人员一直在寻找制造更薄、更小的二维磁体的方法，从而使数据能够以更高的密度存储。此前在二维磁性材料领域取得的成果带来了可喜的成果。
2017年，他们关注了对一种名为三碘化铬的铁磁性材料的研究，科学家发现这种材料可以被削成一个原子厚的单层，同时保持其磁性。但是这些早期的 2D 磁体会失去磁性并在室温下变得化学不稳定。
最先进的二维磁体需要非常低的温度才能发挥作用。但出于实际原因，数据中心需要在室温下运行。
石墨 ZnO (gZnO) 被认为是探索 2D 材料中自旋耦合的理想模型系统。gZnO 是一种层状宽带隙氧化物材料，具有类似石墨烯的蜂窝结构和很强的空气稳定性。由于 Co 原子的无障碍掺入和这些置换 Co 离子之间非常强的纠缠，gZnO 已被预测为有前途的稀释磁性氧化物 (DMO) 。
现在，该研究团队证明了Co 掺杂的类石墨烯氧化锌——Zn1-xCoxO (gZCO）的室温铁磁性。通过 Co 原子的掺杂，成功地将磁性引入了非磁性 2D 范德华晶体 gZnO。通过磁光克尔效应（MOKE）显微镜、超导量子干涉仪和 X 射线磁圆二色性测量，证明了在室温及更高温度下这种奇异材料系统中的自发磁化。该发现为室温下二维铁磁性开辟了另一条途径。
Co掺杂单层gZnO的晶体结构示意图。（来源：论文）
可以吸收热量的二维磁体
研究人员利用氧化石墨烯、锌和钴制造出混合溶液，随后将其烘烤几小时，最后烧掉石墨烯，得到了被称为掺钴范德华氧化锌磁铁的新型二维磁体。
通过扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）验证了 gZCO 纳米片的形态。AFM 映射证明了厚度为 2.8 Å 的单层。值得注意的是，这种原子级光滑的表面不含纳米颗粒，明确表明不存在磁性污染物，例如成簇的 Co、钴氧化物或外在污染物。
SEM (左) 和 AFM（右） 在 100 nm SiO2/Si 衬底上的单层 gZCO 片的原子均匀和干净形貌。（来源：论文）
以上证据表明他们的二维材料确实只有一个原子厚，研究人员继续进行下一个困扰研究人员多年的挑战：演示一种在室温下成功运行的二维磁铁。
研究人员使用透射电子显微镜对二维材料的晶体结构和化学成分进行了成像。研究人员发现可以通过改变材料中钴的含量来调整磁性。浓度为 5% 或 6% 的钴原子会产生一个相对较弱的磁体，而将浓度提高到 12% 会产生一个非常强的磁体。将浓度提高到 15%，就会出现科学家们所说的「frustration」的量子状态，在这种状态下，材料中相互冲突的磁态会相互竞争。
与之前的二维磁铁不同，研究人员发现，新的二维磁铁不仅可以在室温下工作，而且可以在 100 摄氏度下工作。其独特的机制要归功于氧化锌中的自由电子。
可应用于下一代存储器、计算、自旋电子学和量子物理学
陈锐说，「氧化锌的自由电子可以作为中间体，确保新二维器件中的磁性钴原子继续指向同一方向，从而即使在主体（在这种情况下是半导体氧化锌）是非磁性材料。」  
将金属和半导体中的自由电子的运动与水流中的水分子流动进行比较。「自由电子是电流的组成部分，它们以相同的方向移动以导电。」 姚杰补充说。
该团队的二维磁体的厚度只有一张纸的百万分之一，可以弯曲成几乎任何形状。该技术的一个有前途的应用在于数据存储。该二维磁铁可以形成超紧凑的自旋电子器件，以设计电子的自旋。
姚杰说：「这是科学家首次制造出能在室温下保持化学稳定性的二维磁铁。这一发现令人兴奋，因为它不仅使二维磁性在室温下成为可能，而且还揭示了实现二维磁性材料的一种新机制。首次揭示了钴磁性原子如何通过复杂的二维网络在『长』距离上相互作用。」
研究人员表示，他们的发现也将为研究量子物理学提供新的机会。「我们的原子薄磁铁为探索量子世界提供了一个最佳平台。工业界可以借助我们的方法和材料，以更低成本进行大规模生产。」
产业最薄磁铁单原子

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