新的二維磁鐵將未來的設(shè)備拉近

我們都熟悉電子在原子核周圍拉伸并在分子和材料中形成化學(xué)鍵的圖像。但鮮為人知的是電子具有另外的獨(dú)特性質(zhì)：自旋。很難進(jìn)行類比，但人們可以粗略地將電子自旋描述為圍繞其軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)陀螺。但更有趣的是，當(dāng)電子自旋在材料中對(duì)齊時(shí)，會(huì)導(dǎo)致眾所周知的磁性現(xiàn)象。

技術(shù)領(lǐng)域最前沿的領(lǐng)域之一是自旋電子學(xué)，這是一項(xiàng)設(shè)計(jì)和構(gòu)建設(shè)備的實(shí)驗(yàn)性工作 - 例如計(jì)算機(jī)和存儲(chǔ)器 - 利用電子自旋而不僅僅是電荷的運(yùn)動(dòng)(我們稱之為電流) 。但是，這種應(yīng)用需要新的磁材料具有新特性。例如，如果在極薄的材料層中發(fā)生磁性將是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)- 所謂的二維(2-D)材料包括石墨烯，石墨烯基本上是原子厚的石墨層。

然而，尋找二維磁性材料具有挑戰(zhàn)性。碘化鉻(CrI 3)最近揭示了許多有趣的性質(zhì)，但它在環(huán)境條件下迅速降解，并且其絕緣性質(zhì)對(duì)自旋電子學(xué)應(yīng)用的方式?jīng)]有多大幫助，其中大多數(shù)應(yīng)用需要金屬和空氣穩(wěn)定的磁性材料。

現(xiàn)在，EPFL的Andras Kis和Oleg Yazyev團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種新的金屬和空氣穩(wěn)定的二維磁鐵：二硒化鉑(PtSe 2)。這一發(fā)現(xiàn)是由Kis實(shí)驗(yàn)室的博士后艾哈邁德·阿夫薩爾(Ahmet Avsar)發(fā)現(xiàn)的，他實(shí)際上正在研究其他事情。

為了解釋PtSe 2中磁性的發(fā)現(xiàn)，研究人員首先使用基于密度泛函理論的計(jì)算，這是一種模擬和研究具有許多電子的復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的方法，如材料和納米結(jié)構(gòu)。的理論分析表明，PTSE的磁性2是由它的表面上的所謂的“缺陷”，這是在原子的排列不規(guī)則性而引起的。“十多年前，我們發(fā)現(xiàn)了石墨烯缺陷的類似情況，但PtSe 2對(duì)我們來說是一個(gè)驚喜，”Oleg Yazyev說。

研究人員利用強(qiáng)大的磁阻測(cè)量技術(shù)證實(shí)了材料中存在磁性。磁性是令人驚訝的，因?yàn)橥耆Y(jié)晶的PtSe 2應(yīng)該是非磁性的。“這是第一次觀察到這種2-D材料中的缺陷引起的磁性，”Andras Kis說。“它將二維鐵磁體的范圍擴(kuò)展為大規(guī)模數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)所忽視的材料。”

移除或添加一層PtSe 2足以改變跨越層的自旋對(duì)話的方式。更有希望的是，它的磁性，即使在同一層內(nèi)，也可以通過在其表面上策略性地放置缺陷來進(jìn)一步操縱 - 這一過程稱為“缺陷工程”，可以通過照射材料的表面來實(shí)現(xiàn)。電子或質(zhì)子束。

“這種超薄金屬磁鐵可以集成到下一代自旋轉(zhuǎn)移扭矩磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(STT MRAM)設(shè)備中，”Ahmet Avsar說。“二維磁鐵可以降低改變磁極性所需的臨界電流，并有助于我們進(jìn)一步小型化。這些是公司希望解決的主要挑戰(zhàn)。”