一片只有一个原子厚度的材料正在打破记录。
超薄晶圆是一种在室温下工作的磁铁，为技术（特别是存储设备）的开发以及铁磁性和量子物理的研究开辟了途径。
与之前制造二维磁体的尝试相比，这是一个巨大的进步，二维磁体在脱离超冷条件后就会失去磁性和稳定性。
“我们是第一个制造出在环境条件下化学稳定的室温二维磁体的公司，”材料科学家姚杰说加州大学伯克利分校的。
“最先进的 2D 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。我们的 2D 磁体不仅是第一个在室温或更高温度下运行的磁体，而且它也是第一个达到真正二维极限的磁铁：它像单个原子一样薄！”
这一惊人的成就是使用一种名为钴掺杂范德华氧化锌的材料取得的。 顾名思义，它是通过组合创建的氧化物、锌和钴。 将氧化石墨烯浸入锌和钴的乙酸二水合物中，仔细测量其比例。
当在真空中烘烤时，这种混合物慢慢冷却成单层氧化锌，其中散布着钴原子，夹在石墨烯层之间。 在空气中烘烤的步骤会烧掉石墨烯，留下单层钴掺杂氧化锌。
然后，研究小组使用扫描电子显微镜确认结构的单原子厚度，并使用透射电子显微镜逐个原子地对晶体结构和成分进行成像。
材料中磁耦合的图示。 （伯克利实验室）
结果发现，所得的 2D 薄膜具有磁性，但磁性的具体程度取决于氧化锌中分散的钴量。 在百分之五到百分之六左右，磁性相当弱。 当含量翻倍至 12% 左右时，该材料的磁性变得相当强。
在 15% 时，该材料的磁性非常强，以至于材料内的局部自旋开始相互竞争，这种情况称为挫折。 这会阻碍系统内的磁序，因此 12% 左右似乎是钴的最佳点。
有趣的是，该薄膜不仅在室温下保持磁性和化学稳定性，而且在高达 100 摄氏度（212 华氏度）左右的温度下也保持磁性和化学稳定性 - 尽管氧化锌不是铁磁材料。
“与以前的 2D 磁体相比，我们的 2D 磁性系统显示出独特的机制，”材料科学家、该研究的第一作者陈锐说道加州大学伯克利分校。 “我们认为这种独特的机制是由于氧化锌中的自由电子。”
电子除其他外，非常小磁铁。 每个电子都有南北磁极和自己的微小磁场。 在大多数材料中，电子的磁方向相互抵消，但在铁磁材料中，电子聚集在一起在域中它们都具有相同的磁方向。 在磁性材料中，所有磁畴都沿同一方向取向。
自由电子是那些不附着在原子核上的电子。 研究人员认为，氧化锌中的自由电子可以充当中间体，使薄膜中的磁性钴原子即使在高温下也能保持在同一方向上。
这当然值得进一步研究，特别是因为它可以为技术和研究的发展开辟许多新途径。 薄膜本身是灵活的，其制造可扩展，这意味着可能性是令人眼花缭乱的。
一种途径是研究原子之间的磁相互作用，这对量子物理学具有重要意义。 另一个是自旋电子学，研究电子自旋。 它也可用于制造轻质且灵活的存储设备，这些设备依赖于切换磁场方向来编码二进制数据。
未来的分析和计算将有助于更好地理解材料的局限性。
“我们的结果甚至比我们预期的还要好，这真的很令人兴奋。在科学领域，实验大多数时候都非常具有挑战性，”姚说。 “但当你最终意识到一些新的东西时，总是非常有成就感。”
该研究发表于自然通讯。
