Физики Массачусетского технологического института обнаружили экзотическое «мультиферроидное» состояние в материале, который столь же тонок, как одиночный слой атомов. Их наблюдение является первым, подтверждающим, что свойства мультиферроиков могут существовать в идеально двумерном материале. Выводы, опубликованные в журнале Nature , прокладывают путь к разработке более компактных, быстрых и эффективных устройств хранения данных, построенных из ультратонких мультиферроидных битов, а также других новых наноструктур.
«Двумерные материалы похожи на LEGO — вы кладете один поверх другого, чтобы сделать что-то отличное от любой части в отдельности», — говорит автор исследования Нух Гедик, профессор физики в Массачусетском технологическом институте. «Теперь у нас есть новый элемент LEGO: однослойный мультиферроик, который можно комбинировать с другими материалами, чтобы получить интересные свойства».
Помимо Гедика, среди авторов исследования в Массачусетском технологическом институте есть ведущий автор Цянь Сонг, Коннор Оккиалини, Эмре Эгечен, Батыр Ильяс и Риккардо Комин, доцент кафедры физики 1947 года, а также сотрудники в Италии, Японии и Аризоне. Государственный университет.
Любопытно в паре
В материаловедении «ферроид» относится к коллективному переключению любого свойства электронов материала, например ориентации их заряда или магнитного вращения , внешним полем. Материалы могут воплощать одно из нескольких ферроидных состояний. Например, ферромагнетики — это материалы, в которых спины электронов коллективно выстраиваются в направлении магнитного поля, как цветы, вращающиеся вместе с солнцем. Точно так же сегнетоэлектрики состоят из электронных зарядов, которые автоматически выравниваются с электрическим полем .
В большинстве случаев материалы либо сегнетоэлектрические, либо ферромагнитные. Редко они воплощают оба состояния сразу.
«Такое сочетание встречается очень редко», — говорит Комин. «Даже если взять всю периодическую таблицу и не ставить границ для комбинации элементов, можно произвести не так много этих мультиферроиков».
Но в последние годы ученые синтезировали в лаборатории материалы, которые демонстрируют мультиферроидные свойства, проявляя себя как сегнетоэлектрики, так и ферромагнетики любопытным образом. Например, магнитные спины электронов могут переключаться не только магнитным полем, но и электрическим полем.
Это связанное мультиферроидное состояние особенно интересно своим потенциалом для развития магнитных устройств хранения данных. В обычных магнитных жестких дисках данные записываются на быстро вращающийся диск с крошечными доменами магнитного материала. Небольшой наконечник, подвешенный над диском, генерирует магнитное поле, которое может коллективно переключать спины электронов домена в том или ином направлении, чтобы представить «0» или «1» — основные «биты», которые кодируют данные.
Магнитное поле наконечника обычно создается электрическим током , который требует значительной энергии, часть которой может быть потеряна в виде тепла. В дополнение к перегреву жесткого диска электрические токи имеют предел скорости, с которой они могут генерировать магнитное поле и переключать магнитные биты. Такие физики, как Комин и Гедик, считают, что если бы эти магнитные биты можно было сделать из мультиферроидного материала, их можно было бы переключать с помощью более быстрых и более энергоэффективных электрических полей, а не магнитных полей, индуцируемых током.
«При использовании электрических полей процесс записи битов был бы намного быстрее, потому что поля могут быть созданы в цепи за долю наносекунды — потенциально в сотни раз быстрее, чем с помощью электрического тока», — говорит Комин.
Одним из больших препятствий для интеграции устройств был размер. До сих пор физики наблюдали свойства мультиферроиков только в относительно больших образцах трехмерных материалов, слишком больших, чтобы работать с наноразмерными битами памяти. Никому не удалось синтезировать идеально двумерный мультиферроик.
«Все известные примеры мультиферроиков находятся в 3D, и возник фундаментальный вопрос: могут ли эти состояния существовать в 2D, в одном атомном листе?» Комин говорит.
Ферроидные чешуйки
Чтобы ответить на этот вопрос, команда обратилась к йодиду никеля (NiI 2 ), синтетическому материалу, который, как известно, является мультиферроиком в объемной форме.
«В нашем случае это была двойная задача: попытаться преобразовать иодид никеля в двумерную форму и измерить его, чтобы увидеть, сохраняет ли он мультиферроидные свойства», — говорит Комин.
В то время как другие двумерные материалы , такие как графен, можно получить, просто отслаивая слои от объемных версий, таких как графит, йодистый никель более привередлив. Команде нужен был новый способ синтезировать материал в 2D-форме. Команда, возглавляемая Сонгом, позаимствовала технику, известную как эпитаксиальный рост, при которой тонкие атомарные листы материала «выращиваются» на другом базовом материале. В своем случае Сонг и его коллеги использовали гексагональный нитрид бора в качестве объемной основы, которую поместили в печь. На этот материал они насыпали порошки никеля и йодида, которые оседали на нитрид бора в виде идеальных хлопьев йодида никеля толщиной в атом.
Чтобы проверить свойства мультиферроика каждой чешуйки, Гедик и Комин использовали оптические методы, разработанные в их соответствующих лабораториях, для исследования магнитного и электрического отклика материала.
«Длина волны света, которую мы используем, составляет около половины микрона, поэтому мы можем увеличить небольшую область этой чешуйки и изучить ее свойства с большой точностью», — объясняет Комин.
Исследователи постепенно охлаждали двумерные хлопья до температуры всего 20 градусов по Кельвину, при которой ранее наблюдалось, что материал проявляет мультиферроидные свойства в трехмерной форме. Затем они провели отдельные оптические тесты, чтобы исследовать сначала магнитные, а затем электрические свойства материала. При температуре около 20 К материал оказался одновременно ферромагнитным и сегнетоэлектрическим.
Эксперименты группы подтверждают, что иодид никеля является мультиферроиком в двумерной форме. Более того, это исследование впервые продемонстрировало, что мультиферроидный порядок может существовать в двух измерениях — идеальных размерах для создания наноразмерных мультиферроидных битов памяти.
«Теперь у нас есть материал, который является мультиферроиком в 2D. Раньше мы не знали, с чем работать, если хотели создать наноразмерное мультиферроидное устройство. Теперь у нас есть. И сейчас мы начинаем делать эти устройства в нашей лаборатории», Комин говорит. «Мы хотим использовать электрические поля для управления магнетизмом, чтобы увидеть, как быстро мы можем переключать мультиферроидные биты и как мы можем миниатюризировать эти устройства. Это дорожная карта, и теперь мы намного ближе».
