Sciencemag.cz
Doporučujeme
Multiferoické materiály jsou současně feromagnetické a feroelektrické. V přírodě jde o velice vzácnou kombinaci a v kategorii umělých 2D materiálů je taková kombinace ještě výjimečnější. Na tomto základě by přitom mohlo fungovat efektivní ukládání dat, respektive obecně vývoj nových nanostruktur.
V multiferoických materiálech jsou spolu feromagnetické a feroelektrické (feroelektrické látky = spontánně elektricky polarizované, vznikají kladně a záporně nabitá místa i bez přítomnosti vnějšího elektrického pole) vlastnosti navíc provázány. To znamená, že stav spinů elektronů (magnetismus) lze pak přepínat nejen magnetickým, ale i vnějším elektrickým polem.
V běžných magnetických pevných discích se data zapisují na rychle rotující disk se vzorem malých domén magnetického materiálu. Malý hrot nad diskem vytváří magnetické pole, které může kolektivně přepínat elektronové spiny domény v jednom nebo druhém směru, což reprezentuje samotná data („nuly a jedničky“). Magnetické pole hrotu je obvykle vytvářeno elektrickým proudem, což vyžaduje značné množství energie, z níž se část ztrácí ve formě tepla. Kromě toho, že se pevný disk přehřívá, má elektrický proud také omezené možnosti, jak rychle může vytvářet magnetické pole a přepínat magnetické bity. Pokud by magnetické bity mohly být vytvořeny v multiferoickém materiálu, daly by se přepínat pomocí rychlejších a energeticky účinnějších elektrických polí, nikoli magnetických polí vyvolaných proudem. (Poznámka: Ušetřil by se jeden krok přeměny energie s nikoliv 100% účinností.) Zápis bitů pomocí elektrického pole by může být rychlejší až o dva řády.
Jednou z velkých překážek pro vývoj elektronických prvků na tomto základě byl až dosud problém s miniaturizací. Fyzikové znali multiferoické vlastnosti pouze u relativně objekmných vzorků trojrozměrných materiálů, které jsou příliš velké na to, aby se daly zpracovat do součástek v nanorozměrech. Nikdo nebyl schopen syntetizovat dokonale dvourozměrný („monoatomární“) multiferoický materiál. Na MITu (na studii se dále podíleli vědci z Arizona State University, Itálie a Japonska) nyní uspěli s jodidem nikelnatým NiI2. Ten je znám jako multimeroický materiál ve 3D. Výzkumníci proto zkusili připravit jeho 2D verzi a ověřit, zda by si nemohla zachovat i multiferoické vlastnosti. Na rozdíl třeba od grafenu se jodid nikelnatý ale nedá převést na 2D formu prostě odlepováním vrstev (exfoliací). Bylo třeba postupovat metodou epitaxe, tedy pěstovat atomovou vrstvu NiI2 na jiném materiálu (substrátu). Vědci použili v roli substrátu hexagonální nitrid bóru, který umístili do tavicí pece. Přes tento materiál pak přesypávali prášky niklu a jódu (PH: tady je to v průvodní tiskové zprávě trochu nejasné, jód by dávno sublimoval…?), které se usazovaly na nitridu boru v dokonalých, atomově tenkých vločkách NiI2.
K testování multiferoických vlastností jednotlivých vloček použili vědci optické techniky vyvinuté na MITu ke zkoumání magnetické a elektrické odezvy materiálu. Postupně ochlazovali 2D vločky na teplotu až 20 K, při níž bylo dříve pozorováno, že materiál vykazuje multiferoické vlastnosti ve 3D formě. Poté provedli samostatné optické testy, aby prozkoumali nejprve magnetické a poté elektrické vlastnosti materiálu. Přitom se potvrdilo, že při teplotě kolem 20 K je jodid nikelnatý feromagnetický a současně feroelektrický i ve 2D formě.
Riccardo Comin et al, Experimental realization of a single-layer multiferroic, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-021-04337-x. www.nature.com/articles/s41586-021-04337-x
Zdroj: Massachusetts Institute of Technology / Phys.org
