Карта, созданная с помощью методов магнитной микроскопии, показывает вихреобразные узоры вращения, называемые скирмионами, появляющиеся в тонком многослойном 2D-материале. Исследователи из Беркли Лаборатории говорят, что этот материал может способствовать развитию более компактной, быстрой и энергоэффективной электроники, такой как устройства памяти с низким энергопотреблением. Предоставлено: Лаборатория Беркли.

Двумерные магнитные материалы были провозглашены строительными блоками для следующего поколения небольших быстрых электронных устройств. Эти материалы, состоящие из слоев кристаллических пластин толщиной всего в несколько атомов, приобретают свои уникальные магнитные свойства благодаря внутренним, подобным стрелкам компаса, спинам их электронов. Толщина листов атомного масштаба означает, что этими спинами можно манипулировать в мельчайших масштабах с помощью внешних электрических полей, что потенциально может привести к новым низкоэнергетическим системам хранения данных и обработки информации. Но точное знание того, как проектировать 2D-материалы с определенными магнитными свойствами, которыми можно точно управлять, остается препятствием для их применения.

Теперь, как сообщается в журнале Science Advances , исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab), Калифорнийского университета в Беркли, Корнеллского университета и Университета Рутгерса обнаружили слоистые 2D-материалы, которые могут содержать уникальные магнитные свойства, которые остаются стабильными при комнатной температуре и, таким образом, в конечном итоге могут использоваться в будущих повседневных устройствах. Изображения материала в атомарном масштабе показывают точные химические и структурные характеристики, которые отвечают за эти свойства и их стабильность.

Исследователи из лаборатории Беркли имеют опыт выявления неожиданных магнитных свойств в атомарно тонких слоях объемных кристаллов, многие из которых основаны на полупроводниковых материалах, легированных атомами металлов. Аспирант Калифорнийского университета в Беркли Тайлер Райчанадтер, соавтор исследования, рассчитал, как электронная структура обычных двумерных материалов может измениться при замене различных атомов, в данном случае части железа на кобальт. Этот конкретный обмен приводит к кристаллической структуре, которая не может быть наложена на ее зеркальное отражение, и приводит к возможности экзотических вихреобразных спиновых устройств, называемых скирмионами, которые исследуются в качестве строительных блоков будущих вычислений с низким энергопотреблением.

Соавторы исследования Хунжуй Чжан, научный сотрудник Калифорнийского университета в Беркли, и Сян Чен, научный сотрудник лаборатории Беркли и Калифорнийского университета в Беркли, использовали оборудование для выращивания кристаллов для изучения некоторых из наиболее многообещающих 2D-материалов, включая теллурид железа и германия, легированный кобальтом. Fe 5 GeTe 2 ) в виде наночешуек. Fe 5 GeTe 2 является типичным двумерным магнитным материалом благодаря своей уникальной слоистой структуре и кристаллической симметрии, при этом атомы железа занимают определенные точки в кристаллической структуре .. Они обнаружили, что, заменив ровно половину атомов железа атомами кобальта, чья электронная конфигурация немного отличалась, что означало, что атомы естественным образом занимали немного разные точки в кристалле, они могли спонтанно нарушить естественную кристаллическую симметрию материала, что, в свою очередь, изменило его спиновую структуру.

«Это непросто сделать. На синтез этих структур уходят дни или месяцы, и мы прошли через сотни кристаллов», — сказал Чен, эксперт в области синтеза таких сложных материалов.

Соавторы Сандхья Сусарла, научный сотрудник лаборатории Беркли, и Ю-цун Шао, научный сотрудник Корнеллского университета, подтвердили структуру атомного масштаба и электронную структуру сложных материалов, используя возможности электронной микроскопии в Национальном центре электронной микроскопии в Молекулярный литейный завод.

«Это чистое научное открытие, совершенно неожиданное», — сказал Рамамурти Рамеш, старший научный сотрудник отдела материаловедения лаборатории Беркли и старший автор-корреспондент статьи. «Команда пыталась манипулировать электронной структурой и обнаружила, что, нарушая симметрию, материал может содержать скирмионы».

Чжан использовал магнитно-силовую микроскопию для изображения скирмионов на больших площадях таких кристаллов. Следя за эволюцией скирмионов в зависимости от температуры и магнитного поля, исследователи установили физические условия, которые привели к их стабильности. Кроме того, проводя электрический ток через материал, исследователи обнаружили, что они могут заставить скирмионы перемещаться внутри материала независимо от атомов, которые в первую очередь привели к их образованию.

Наконец, Дэвид Рафтри, аспирант-исследователь из лаборатории Беркли и Калифорнийского университета в Санта-Крузе, провел микромагнитное моделирование, чтобы интерпретировать наблюдаемые электронные узоры в этих материалах.

Поскольку слоистые материалы могут быть изготовлены с широким диапазоном толщины при комнатной температуре и выше, исследователи считают, что их магнитные свойства можно улучшить и расширить. «Нас интересует микроэлектроника, но фундаментальные вопросы физики материалов нас действительно вдохновляют», — сказал Чжан.