目前,存儲設備的磁性組件大多由磁性薄膜制成。在原子水平上,這些磁性薄膜仍然是三維的——數百或數千個原子厚。但是磁體會占用本可被用于編碼信息的空間,從而影響存儲容量。因此,幾十年來,科學家們一直在尋找制造更薄、更小的二維磁體的方法。

近期,能源部勞倫斯伯克利國家實驗室和加州大學伯克利分校的研究人員開發出世界上最薄的磁體——只有單原子厚度的柔性氧化鋅和鈷薄膜。這種磁鐵與以前開發的類似材料不同,它不僅可以使數據以更高的密度存儲,還能夠在室溫下運行。

通常認為,納米級磁體必須要在-195℃左右的低溫以維持磁場。但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。

在新磁體的開發過程中,研究人員從氧化石墨烯、鋅和鈷的混合物開始,在實驗室中進行烘烤,變成了一層遍布鈷原子的氧化鋅。這層厚度僅為一個原子,被夾在兩層石墨烯之間,然后將其燒掉,留下一層磁性的二維薄膜。

通過后續實驗,研究小組發現可以通過改變材料中鈷的含量來調整磁性。最終,他們找到了最佳比例:約12%的鈷含量——鈷低于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。這樣的“黃金比例”,使得該材料在高達100℃的溫度下都保持出色的磁力。

 此外,這種磁體可以激發電子進入“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。

總的來說,目前使用的存儲設備依賴于非常薄的磁性薄膜,但這些薄膜往往是三維的,測量起來有數百或數千個原子厚。而該磁體達到真正的二維極限,僅有一個原子厚度,使數據能夠以極高的密度存儲。

未來,期待該超薄磁鐵可以在下一代存儲器、計算、自旋電子學和量子物理學方面大展身手。