O desenvolvimento de um a­ma£ ultrafino que opera em temperatura ambiente pode levar a novas aplicações em computação e eletra´nica - como dispositivos de memória spintra´nica compactos de alta densidade - e novas ferramentas para o estudo da física qua¢ntica.

O a­ma£ ultrafino, que foi recentemente publicado na revista Nature Communications , pode fazer grandes avanços nas memórias de próxima geração, computação, spintra´nica e física qua¢ntica. Foi descoberto por cientistas do Laborata³rio Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) e da UC Berkeley.

"Somos os primeiros a fazer um a­ma£ 2-D a  temperatura ambiente que équimicamente esta¡vel em condições ambientais", disse o autor saªnior Jie Yao, cientista da Divisão de Ciências de Materiais do Laborata³rio de Berkeley e professor associado de ciência e engenharia de materiais na UC Berkeley.

"Esta descoberta éempolgante porque não são torna o magnetismo 2-D possí­vel a  temperatura ambiente, mas também revela um novo mecanismo para realizar materiais magnanãticos 2-D", acrescentou Rui Chen, um estudante graduado da UC Berkeley no Yao Research Group e lider autor do estudo. "

O componente magnético dos dispositivos de memória de hoje énormalmente feito de filmes finos magnanãticos. Mas, nonívelata´mico, esses filmes magnanãticos ainda são tridimensionais - com centenas ou milhares de a¡tomos de espessura. Durante décadas, os pesquisadores buscaram maneiras de fazer a­ma£s 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 magnanãticos 2-D trouxeram resultados promissores. Mas esses primeiros a­ma£s 2-D perdem seu magnetismo e se tornam quimicamente insta¡veis ​​a  temperatura ambiente.

"Os a­ma£s 2-D de última geração precisam de temperaturas muito baixas para funcionar. Mas, por razões prática s, um data center precisa funcionar em temperatura ambiente", disse Yao. "Teoricamente, sabemos que quanto menor o a­ma£, maior a densidade potencial de dados do disco. Nosso a­ma£ 2-D não éapenas o primeiro a operar em temperatura ambiente ou superior, mas também éo primeiro a­ma£ a atingir o verdadeiro 2- Limite D: étão fino quanto um aºnico a¡tomo! "

Os pesquisadores afirmam que sua descoberta também possibilitara¡ novas oportunidades de estudar a física qua¢ntica. "Nosso a­ma£ atomicamente fino oferece uma plataforma ideal para sondar o mundo qua¢ntico", disse Yao. "Ele abre cada a¡tomo para exame, o que pode revelar como a física qua¢ntica governa cada a¡tomo magnético e as interações entre eles. Com um a­ma£ convencional em que a maioria dos a¡tomos magnanãticos estãoprofundamente enterrados dentro do material, esses estudos seriam bastante desafiador de fazer. "

Os pesquisadores sintetizaram o novo a­ma£ 2-D - chamado de a­ma£ de a³xido de zinco dopado com cobalto van der Waals - a partir de uma solução de a³xido 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 a³xido de zinco com um punhado de a¡tomos de cobalto imprensado entre camadas de grafeno. Em uma etapa final, o grafeno équeimado, deixando para trás apenas uma única camada atômica de a³xido de zinco dopado com cobalto.

"Com nosso material, não hágrandes obsta¡culos para que a indústria adote nosso manãtodo baseado em soluções", disse Yao. "a‰ potencialmente escalona¡vel para produção em massa a custos mais baixos."

Para confirmar que o filme 2-D resultante tem apenas um a¡tomo de espessura, Yao e sua equipe conduziram experimentos de microscopia eletra´nica de varredura na Fundição Molecular do Berkeley Lab para identificar a morfologia do material e imagens de microscopia eletra´nica de transmissão para sondar o material a¡tomo por a¡tomo.

Com a prova em ma£os de que seu material 2-D realmente tem apenas um a¡tomo de espessura, os pesquisadores passaram para o pra³ximo desafio que confundiu os pesquisadores por anos: demonstrar um a­ma£ 2-D que opera com sucesso em temperatura ambiente.

Os experimentos de raios-X na fonte de luz avana§ada do Berkeley Lab caracterizaram os parametros magnanãticos do material 2-D sob alta temperatura. Experimentos adicionais de raios-X no Laborata³rio Nacional de Aceleração SLAC, Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, verificaram as estruturas eletra´nicas e cristalinas dos a­ma£s 2-D sintetizados. E no Centro de Materiais em Nanoescala do Laborata³rio Nacional de Argonne, os pesquisadores fotografaram a estrutura cristalina e a composição química do material 2-D usando microscopia eletra´nica de transmissão .

Como um todo, os experimentos de laboratório da equipe de pesquisa mostraram que o sistema grafeno-a³xido de zinco torna-se fracamente magnético com uma concentração de 5-6% de a¡tomos de cobalto. Aumentar a concentração de a¡tomos de cobalto para cerca de 12% resulta em um a­ma£ muito forte.

Para a surpresa dos pesquisadores, uma concentração de a¡tomos de cobalto excedendo 15% muda o a­ma£ 2-D para um exa³tico estado qua¢ntico de "frustração", em que diferentes estados magnanãticos dentro do sistema 2-D competem entre si.

E ao contra¡rio dos a­ma£s 2-D anteriores, que perdem seu magnetismo em temperatura ambiente ou acima, os pesquisadores descobriram que o novo a­ma£ 2-D não são funciona a  temperatura ambiente, mas também a 100 graus Celsius (212 graus Fahrenheit).

"Nosso sistema magnético 2-D mostra um mecanismo distinto em comparação com os a­ma£s 2-D anteriores", disse Chen. "E achamos que esse mecanismo aºnico se deve aos elanãtrons livres no a³xido de zinco."

Quando vocêcomanda seu computador para salvar um arquivo, essa informação éarmazenada como uma sanãrie de uns e zeros na memória magnanãtica do computador, como o disco ra­gido magnético ou uma memória flash. E como todos os a­ma£s, os dispositivos de memória magnanãtica contem a­ma£s microsca³picos com dois polos - norte e sul, cujas orientações seguem a direção de um campo magnético externo. Os dados são gravados ou codificados quando esses pequenos a­ma£s são virados para as direções desejadas.

De acordo com Chen, os elanãtrons livres do a³xido de zinco poderiam atuar como um intermediário que garante que os a¡tomos magnanãticos de cobalto no novo dispositivo 2-D continuem apontando na mesma direção - e, portanto, permanea§am magnanãticos - mesmo quando o hospedeiro, neste caso o a³xido de zinco semicondutor , éum material não magnanãtico.

"Os elanãtrons livres são constituintes das correntes elanãtricas. Eles se movem na mesma direção para conduzir eletricidade", acrescentou Yao, comparando o movimento dos elanãtrons livres em metais e semicondutores ao fluxo de moléculas de águaem um fluxo de a¡gua.

Os pesquisadores dizem que o novo material - que pode ser dobrado em quase qualquer forma sem quebrar e tem 1 milionanãsimo da espessura de uma única folha de papel - poderia ajudar a avana§ar na aplicação da eletra´nica de spin ou spintra´nica, uma nova tecnologia que usa a orientação de o spin de um elanãtron em vez de sua carga para codificar os dados. "Nosso a­ma£ 2-D pode permitir a formação de dispositivos spintra´nicos ultracompactos para projetar os spins dos elanãtrons", disse Chen.

"Acredito que a descoberta deste novo a­ma£ robusto e verdadeiramente bidimensional em temperatura ambiente éuma verdadeira descoberta de Jie Yao e seus alunos", disse o coautor Robert Birgeneau, cientista saªnior do Berkeley Lab's Materials Sciences Division e professor de física da UC Berkeley que coliderou as medições magnanãticas do estudo. "Além de sua importa¢ncia a³bvia para dispositivos spintra´nicos, este a­ma£ 2-D éfascinante nonívelata´mico, revelando pela primeira vez como os a¡tomos magnanãticos de cobalto interagem em distâncias 'longas'" atravanãs de uma rede bidimensional complexa, acrescentou.

"Nossos resultados são ainda melhores do que espera¡vamos, o que érealmente empolgante. Na maioria das vezes, na ciaªncia, os experimentos podem ser muito desafiadores", disse ele. "Mas quando vocêfinalmente percebe algo novo, ésempre muito gratificante."