只有一個(gè)原子厚的新型磁性材料可以操縱電子的自旋，用于下一代數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

從計(jì)算機(jī)到信用卡再到云服務(wù)器，當(dāng)今的技術(shù)都依賴于磁鐵將編碼數(shù)據(jù)固定在存儲(chǔ)設(shè)備上。但是磁鐵的大小限制了存儲(chǔ)容量，即使是紙一樣薄的磁鐵也會(huì)占用很多本可以更好地用于編碼信息的空間。

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現(xiàn)在，一項(xiàng)發(fā)表在Nature Communications上的研究顯示，研究人員設(shè)計(jì)了一種世界上最薄的磁鐵：只有一個(gè)原子厚的柔性氧化鋅和鈷片。“這意味著我們可以使用相同數(shù)量的材料存儲(chǔ)更大量的數(shù)據(jù)，”該研究的資深作者、加州大學(xué)伯克利分校的工程師姚杰說。

除了縮小傳統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間之外，厚度小于1納米的磁鐵對(duì)于開發(fā)自旋電子學(xué)（自旋電子學(xué)的簡(jiǎn)稱）是必不可少的：可以使用電子的自旋方向而不是電荷來編碼數(shù)據(jù)。這種磁鐵甚至可以幫助激發(fā)電子進(jìn)入“量子疊加態(tài)”，讓粒子同時(shí)占據(jù)多個(gè)狀態(tài)。這樣，數(shù)據(jù)可能會(huì)使用三種狀態(tài)（向上或向下旋轉(zhuǎn)，或同時(shí)以兩種方式旋轉(zhuǎn)）來存儲(chǔ)，而不是通常的兩種狀態(tài)。

通常，類似的納米級(jí)磁體必須降溫到 –196°C的低溫以維持磁場(chǎng)。這一要求對(duì)創(chuàng)建商業(yè)自旋電子器件或縮小傳統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間構(gòu)成了巨大障礙?！澳悴幌腚S身攜帶低溫冷卻器，”芝加哥大學(xué)自旋電子學(xué)研究員大衛(wèi)·奧沙洛姆說，他沒有參與這項(xiàng)研究。“因此，擁有一種在室溫下既緊湊又靈活的磁性材料非常重要。”

這種新磁性材料的二維晶格在室溫下可以完美運(yùn)行——它甚至在足以煮沸水的溫度下保持磁化。將這些特定元素結(jié)合起來的決定至關(guān)重要，鋅和氧本身沒有磁性，但它們與鈷等磁性金屬相互作用。通過調(diào)整鈷原子與氧化鋅分子的比例，該團(tuán)隊(duì)“調(diào)整”了材料的磁場(chǎng)強(qiáng)度。大約12%的鈷是他們的最佳選擇——低于 6% 時(shí)磁鐵太弱而無法發(fā)揮作用，而超過15%時(shí)它變得不穩(wěn)定。

姚杰認(rèn)為，來自氧化鋅的游離電子有助于穩(wěn)定鈷原子，保持磁場(chǎng)完整。姚杰說：“目前的假設(shè)是電子作為信使，讓這些鈷原子能夠相互‘交談’?！?/p>

愛爾蘭三一學(xué)院的計(jì)算物理學(xué)家桑維托（Stefano Sanvito）也沒有參與這項(xiàng)研究，但他表示磁鐵的有用性取決于它如何與其他二維材料相互作用。他說，堆疊各種單原子薄膜層“就像摞一副紙牌”，將使工程師能夠?yàn)閺陌踩珨?shù)據(jù)加密到量子計(jì)算的大量應(yīng)用，去量身定制下一代自旋電子學(xué)技術(shù)：“這將非常有趣?！?/p>

編譯：王珩

編輯：慕一