המגנט הזעיר ביותר בעולם – בעובי חד-אטומי

מגנט בעובי חד-אטומי במבנה דו-מימדי שפותח על ידי מדענים מאוניברסיטת ברקלי יוכל לקדם את הפיתוח של יישומים חדשים בתחומי המחשוב והאלקטרוניקה

[תרגום מאת ד”ר משה נחמני]

הפיתוח של מגנט דקיק במיוחד (ultrathin ) הפועל בטמפרטורת החדר יוכל להוביל לפיתוחם של יישומים חדשים בתחומי המחשוב והאלקטרוניקה – כגון התקני זיכרון ספינטרוניים בעלי דחיסות גבוהה וקומפקטיים – וכלים חדשים לחקר הפיזיקה הקוונטית. המגנט הדקיק במיוחד, שאודותיו דווח לאחרונה בכתב העת המדעי היוקרתי Nature Communications, יוכל לקדם משמעותית את התחומים של התקני זיכרון מהדור הבא, מחשוב, ספינטרוניקה (המונח בוויקיפדיה) ופיזיקה קוונטית. המגנט פותח על ידי מדענים מהמעבדה הלאומית ע”ש לורנס ברקלי במשרד האנרגיה האמריקאי ומאוניברסיטת ברקלי.

“אנו הראשונים אי פעם שהצליחו לפתח מגנט דו-מימדי הפועל בטמפרטורת החדר ושהוא יציב מבחינה כימית בתנאים מתונים”, אמר הכותב הראשי של המאמר ז׳י יאו (Jie Yao), פרופסור למדעי החומרים והנדסה באוניברסיטת ברקלי. “תגלית זו מרגשת במיוחד מאחר והיא לא רק מדגימה כי מגנטיות דו-מימדית היא אפשרית מבחינה כימית בטמפרטורת החדר, אלא שהיא חושפת גם מנגנון חדש ליצירת חומרים מגנטיים דו-מימדיים,” הוסיף אחד מהחוקרים.

הרכיבים המגנטיים של התקני זיכרון קיימים עשויים בדרך כלל משכבות דקיקות של חומר מגנטי. אולם, ברמה האטומית, חומרים אלו עדיין תלת-מימדיים, כלומר בעובי של מאות או אלפי אטומים. מזה עשורים שחוקרים מנסים למצוא דרכים לייצר מגנטים דו-מימדיים דקיקים וקטנים יותר שיוכלו לאפשר אחסון מידע ברמת דחיסות גבוהה יותר. הישגים קודמים בתחום חומרים מגנטיים דו-מימדיים אכן הציגו תוצאות מבטיחות. אולם, מגנטים דו-מימדיים ראשונים אלו מאבדים את המגנטיות שלהם והופכים לחסרי יציבות כימית בטמפרטורת החדר. “מגנטים דו-מימדיים מתקדמים זקוקים לטמפרטורות נמוכות במיוחד על מנת שיוכלו לפעול כראוי. אולם, מסיבות מעשיות מרכז מידע נדרש לפעול בטמפרטורת החדר”, מסביר החוקר הראשי. “המגנט הדו-מימדי שלנו אינו רק הראשון הפועל בטמפרטורת החדר, או מעליה, אלא שהוא המגנט הראשון אי פעם שמגיע לגבול הדו-מימד האמיתי – הוא בעובי של אטום יחיד!”, מתפעל מההישג החוקר הראשי. 

החוקרים מסבירים כי התגלית שלהם תוכל לספק גם הזדמנויות חדשות בתחום הפיזיקה הקוונטית. “התגלית שלנו פותחת צוהר לחקר של כל אטום יחיד בתחום החדש הזה שלנו, ועשוי לחשוף כיצד הפיזיקה הקוונטית שולטת בכל אחד ואחד מהמגנטים האטומים ולהסביר טוב יותר את יחסי הגומלין שביניהם”, מוסיף ואומר החוקר הראשי.

החוקרים סינתזו את המגנט הדו-מימדי החדש – המכונה בשםcobalt-doped van der Waals zinc-oxide magnet, מתוך תמיסה של תחמוצת גרפן, אבץ וקובלט. מספר שעות בודדות בלבד של “בישול” התערובת בתנור מעבדה רגיל הובילו ליצירת חד-שכבה אטומית של תחמוצת אבץ בשילוב אטומי קובלט המשולבים בתוך שכבות של גרפן. בשלב אחרון, הגרפן מורחק החוצה על ידי שריפתו, תוך השארת שכבה חד-אטומית של תחמוצת אבץ המאולחת באטומי קובלט.      

אילוסטרציה של המגנט החדשני: אדום – קובלט; כחול – חמצן; צהוב – אבץ [באדיבות מעבדת ברקלי]

“בזכות החומר שלנו, לא קיימות יותר כל מגבלות משמעותיות עבור התעשייה באימוץ השיטה שלנו המבוססת על תמיסה”, אמר החוקר הראשי. “השיטה שלנו תוכל להתאים כראוי גם עבור ייצור המוני בעלויות נמוכות יותר”.

על מנת להוכיח כי העובי של המגנט החדש הוא אכן חד-אטומי, החוקרים ערכו מדידות בשיטות ספקטרוסקופיות נפרדות (SEM, TEM) והוכיחו אכן כי זוהי המורפולוגיה שלו. בנוסף, החוקרים מדדו גם את המבנה המרחבי של החומר בעזרת ניסויים בקרני רנטגן. החוקרים מצאו כי המערכת של גרפן-אבץ-תחמוצת הופכת למעט מגנטית כאשר מוסיפים כמות של 6-5 אחוזים של אטומי קובלט. הגברת ריכוז אטומי הקובלט לרמה של 12 אחוזים מובילה לקבלת מגנט חזק. להפתעתם הרבה, כמות של קובלט בריכוז הגבוה מ-15 אחוזים הפך את המגנט הדו-מימדי למצב קוונטי נדיר שבו מצבים מגנטיים שונים נמצאים בתחרות זה מול זה. ובניגוד למגנטים דו-מימדיים קודמים, אשר איבדו את המגנטיות שלהם בטמפרטורת החדר או מעליה, החוקרים מצאו כי החומר החדשני שלהם לא רק פועל כראוי בטמפרטורת החדר אלא אפילו בטמפרטורה של 100 מעלות צלזיוס. “המגנט הדו-מימדי שלנו מדגים מנגנון מובחן בהשוואה למגנטים דו-מימדיים קודמים”, מסביר החוקר הראשי. “ואנו סבורים כי מנגנון ייחודי זה נגרם בעקבות האלקטרונים החופשיים הנמצאים בתחמוצת האבץ. אלקטרונים החופשיים לנוע ממקום למקום הם רכיב חיוני בזרם חשמלי. הם נעים לאותו כיוון על מנת להוליך חשמל”, מסביר החוקר הראשי. החומר החדשני, אותו ניתן לכופף לכמעט כל צורה מבלי לשבור אותו, ובעל עובי הדק פי מיליון מדף נייר, יוכל לסייע בפיתוח של יישומים ברכיבי אלקטרוניקה המבוססים על תכונת הספין של האלקטרונים (spintronics), טכנולוגיה חדשנית המתבססת על הכיווניות של הספין האלקטרוני ולא על המטען החשמלי שלו על מנת לקודד ולאחסן נתונים. “המגנט הדו-מימדי שלנו יוכל לאפשר את הייצור של התקני ספינטרוניקה זעירים במיוחד תוך ניצול תכונת הספין של האלקטרונים”, אומר החוקר הראשי.   

הידיעה על המחקר

המאמר המלא