劳伦斯·伯克利国家实验室的雷切尔·伯克维兹 由磁性显微镜技术制作的地图显示了一种薄的层状2D物质中出现的被称为天空离子的漩涡状自旋模式
伯克利实验室的研究人员表示，这种材料可以推进更小、更快、更节能的电子产品，如低功耗存储设备
鸣谢:伯克利实验室 二维磁性材料被誉为下一代小型快速电子设备的基础材料
这些材料由只有几个原子厚的晶体片层组成，从其电子的内在指南针般的自旋中获得独特的磁性
这种薄片的原子级厚度意味着这些自旋可以利用外部电场在最精细的尺度上进行操纵，这有可能导致新型的低能量数据存储和信息处理系统
但是，准确地知道如何设计具有特定磁性能的2D材料，仍然是它们应用的一个障碍
现在，正如《科学进展》杂志报道的那样，劳伦斯·伯克利国家实验室(伯克利实验室)、加州大学伯克利分校、康乃尔大学和罗格斯大学的研究人员发现了层状2D材料，这些材料可以拥有独特的磁性特征，在室温下保持稳定，因此最终可能用于未来的日常设备
材料的原子级图像揭示了导致这些特征及其稳定性的精确的化学和结构特征
伯克利实验室的研究人员在原子级薄层的块状晶体中发现了意想不到的磁性，许多块状晶体是基于掺杂了金属原子的半导体材料
加州大学伯克利分校的研究生Tyler Reichanadter是这项研究的合著者，他计算了普通2D材料的电子结构如何通过交换不同的原子而发生变化，在这种情况下，一些铁被钴取代
这种特殊的交换导致了一种不能叠加在其镜像上的晶体结构，并导致了一种被称为skyrmions的奇异的漩涡状自旋排列的可能性，这种排列正在被探索作为未来低功耗计算的构建模块
该研究的共同作者张洪睿是加州大学伯克利分校的博士后研究员，陈翔是伯克利实验室和加州大学伯克利分校的博士后研究员，他们使用晶体生长设备来探索一些最有前途的2D材料，包括纳米片形式的掺钴铁锗碲化物(Fe5GeTe2)
Fe5GeTe2是一种典型的2D磁性材料，由于其独特的层状结构和晶体对称性，铁原子占据晶体结构中的特定点
他们发现，通过用钴原子取代恰好一半的铁原子——其略微不同的电子配置意味着原子在晶体中自然占据略微不同的位置——他们可以自发地打破材料的自然晶体对称性，从而改变其自旋结构
“这不容易做到
合成这些结构需要几天或几个月的时间，我们研究了数百个晶体，”陈说，他是合成这种复杂材料的专家
合著者伯克利实验室博士后研究员Sandhya Susarla和康奈尔大学博士后研究员Yu-tsun Shao在分子铸造厂的国家电子显微镜中心使用电子显微镜能力确认了复杂材料的原子级结构和电子结构
“这是纯粹的发现科学，完全出乎意料，”伯克利实验室材料科学部门的资深科学家、该论文的资深通讯作者Ramamoorthy Ramesh说
“研究小组试图操纵电子结构，并发现通过打破对称性，这种材料可以容纳天空离子
" 张使用磁力显微镜在大面积的这种晶体上拍摄天空离子
通过跟踪天空离子作为温度和磁场的函数的演变，研究人员建立了导致它们稳定的物理条件
此外，通过让电流穿过材料，研究人员发现他们可以导致天空离子在材料内移动，而不依赖于最初导致它们形成的原子
最后，伯克利实验室和加州大学圣克鲁斯分校研究生研究员大卫·拉夫特里进行了微磁模拟，以解释这些材料中观察到的电子模式
因为层状材料可以在室温或更高的温度下制成各种厚度，研究人员认为它们的磁性可以得到增强和扩展
“我们对微电子感兴趣，但材料物理的基本问题真正激发了我们，”张说
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