2021年11月09日 09:30
【科學快訊】
撰文 | 喬安娜·湯普森（Joanna Thompson）
翻譯 | 劉彬
從計算機到信用卡再到雲服務器，當今的技術依靠磁體將編碼數據存儲在設備上。但是磁體會占用本可被用於編碼信息的空間，從而影響存儲容量。
現在，在《自然·通訊》（Nature Communications）期刊發表的一項研究中，研究人員設計了一種世界上最薄的磁體——只有單原子厚度的柔性氧化鋅和鈷薄膜。美國加利福尼亞大學伯克利分校的工程師姚傑（Jie Yao，這項研究的通訊作者）表示：「這意味著我們可以用等量的材料儲存更多數據。」
除了減小存儲設備的尺寸，厚度小於1納米的磁體在自旋電子元件的開發中也起到了必不可少的作用，自旋電子元件是指利用電子的自旋方向，而不是電荷來對數據進行編碼的小組件。這種磁體甚至可以激發電子進入「量子疊加」狀態，允許粒子同時占據多個狀態。這樣可以借助自旋向上、向下、或同時向上向下這三種狀態存儲數據，而不是通常情況下的前兩種狀態。
一般認為，納米級磁體必須要被過冷到-195℃左右的低溫以維持磁場，這為自旋電子元件的應用帶來了困難。「人們不會想隨身攜帶低溫冷卻設備，因此，能在室溫下實現的緊湊型柔性材料非常重要。」美國芝加哥大學自旋電子學領域的研究員戴維·奧沙洛姆（David Awschalom，並未參與這項研究）這樣評價道。
這種新磁體的二維晶格在室溫下也可以完美保持功能，它甚至能在更高溫（甚至足以將水煮沸）的環境中保持磁化狀態。在新磁體的研發過程中，至關重要的是組合幾種特定的元素：鋅和氧本身不具有磁性，但能與鈷等磁性金屬相互作用。該團隊通過改變鈷原子和氧化鋅分子的比例，來調整這種新材料的磁場強度。最終，他們找到了最佳比例：約12%的鈷含量——鈷低於6%時磁體會弱到無法發揮功用，超過15%時磁體又會變得不穩定。
姚傑認為，來自氧化鋅的遊離電子有助於使鈷原子保持穩定。他表示：「我們目前的假設是這些電子起到了像信使一樣的作用，使鈷原子能夠相互‘交談’。」
愛爾蘭都柏林聖三一大學的計算物理學家斯特凡諾·聖維托（Stefano Sanvito，並未參與這項研究）表示，這種磁體有用與否將取決於它和其他二維材料之間的相互作用——如果能把不同單原子薄膜「像紙牌」那樣疊起來，工程師就能量身定做下一代自旋電子元件，從而實現從數據加密到量子計算等一系列方面的應用，「這將非常有意思。」
