世界最薄磁铁：只有一个原子厚

文|陈根

目前，存储设备的磁性组件大多由磁性薄膜制成。在原子水平上，这些磁性薄膜仍然是三维的——数百或数千个原子厚。但是磁体会占用本可被用于编码信息的空间，从而影响存储容量。因此，几十年来，科学家们一直在寻找制造更薄、更小的二维磁体的方法。

近期，能源部劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校的研究人员开发出世界上最薄的磁体——只有单原子厚度的柔性氧化锌和钴薄膜。这种磁铁与以前开发的类似材料不同，它不仅可以使数据以更高的密度存储，还能够在室温下运行。

通常认为，纳米级磁体必须要在-195℃左右的低温以维持磁场。但这种新磁体的二维晶格在室温下也可以完美保持功能，它甚至能在更高温，甚至足以将水煮沸的环境中保持磁化状态。

在新磁体的开发过程中，研究人员从氧化石墨烯、锌和钴的混合物开始，在实验室中进行烘烤，变成了一层遍布钴原子的氧化锌。这层厚度仅为一个原子，被夹在两层石墨烯之间，然后将其烧掉，留下一层磁性的二维薄膜。

通过后续实验，研究小组发现可以通过改变材料中钴的含量来调整磁性。最终，他们找到了最佳比例：约12%的钴含量——钴低于6%时磁体会弱到无法发挥功用，超过15%时磁体又会变得不稳定。这样的“黄金比例”，使得该材料在高达100℃的温度下都保持出色的磁力。

此外，这种磁体可以激发电子进入“量子叠加”状态，允许粒子同时占据多个状态。这样可以借助自旋向上、向下、或同时向上向下这三种状态存储数据，而不是通常情况下的前两种状态。

总的来说，目前使用的存储设备依赖于非常薄的磁性薄膜，但这些薄膜往往是三维的，测量起来有数百或数千个原子厚。而该磁体达到真正的二维极限，仅有一个原子厚度，使数据能够以极高的密度存储。

未来，期待该超薄磁铁可以在下一代存储器、计算、自旋电子学和量子物理学方面大展身手。