二维磁性材料被誉为下一代小型、快速电子设备的基石。这些材料由只有几个原子厚的晶体片层组成，它们从电子的固有罗盘针状自旋中获得了独特的磁性。薄片的原子级厚度意味着可以使用外部电场在最精细的尺度上操纵这些自旋，这可能会导致新的低能量数据存储和信息处理系统。但是，确切地知道如何设计具有可以精确操纵的特定磁性的二维材料仍然是其应用的障碍。
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、康奈尔大学和罗格斯大学的研究人员发现了分层二维材料，这些材料可以承载在室温下保持稳定的独特磁性特征，因此最终可能可用于未来的日常设备。材料的原子尺度图像揭示了导致这些特征及其稳定性的精确化学和结构特征。
伯克利实验室的研究人员在发现原子薄层体晶体中意想不到的磁特性方面有着良好的记录，其中许多是基于掺杂金属原子的半导体材料。加州大学伯克利分校的研究生TylerReichanadter是该研究的合著者，他计算了常见二维材料的电子结构如何通过交换不同的原子(在这种情况下将一些铁换成钴)而发生变化。这种特殊的交换导致晶体结构无法叠加在其镜像上，并导致称为斯格明子的奇异的、类似涡旋的自旋排列的可能性，正在探索作为未来低功耗计算的构建块。
该研究的合著者、加州大学伯克利分校的博士后研究员张宏瑞和伯克利实验室和加州大学伯克利分校的博士后研究员陈翔利用晶体生长设备探索了一些最有前景的二维材料，包括钴掺杂的碲化铁锗。纳米薄片形式的Fe5GeTe2)。Fe5GeTe2是一种典型的二维磁性材料，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内的特定点.他们发现，通过用钴原子替换恰好一半的铁原子——其电子配置略有不同意味着原子在晶体中自然占据的点略有不同——它们可以自发地破坏材料的天然晶体对称性，从而改变其自旋结构。
“这并不容易。这些结构需要数天或数月才能合成，我们经历了数百个晶体，”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SandhyaSusarla和康奈尔大学博士后研究员Yu-tsunShao在美国国家电子显微镜中心利用电子显微镜能力证实了复杂材料的原子级结构和电子结构。分子铸造厂。
“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的高级科学家、该论文的高级通讯作者RamamoorthyRamesh说。“该团队试图操纵电子结构，并发现通过打破对称性，材料可以承载斯格明子。”
张使用磁力显微镜对此类晶体大面积上的斯格明子进行成像。通过跟踪斯格明子随温度和磁场的变化，研究人员确定了导致其稳定性的物理条件。此外，通过在材料上传递电流，研究人员发现它们可以导致斯格明子在材料内移动，而与最初导致它们形成的原子无关。
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，以解释在这些材料中观察到的电子模式。
由于层状材料在室温及以上温度下可以制成各种厚度，研究人员认为它们的磁性可以得到增强和扩展。“我们对微电子学很感兴趣，但关于材料物理的基本问题确实激励了我们，”张说。