Das ist der dünnste Magnet der Welt!
US-amerikanischen Wissenschaftlern ist es gelungen, einen Magneten zu entwickeln, der nur aus einer einzigen Schicht von Atomen besteht. Der ultradünne 2D-Magnet könnte ganz neue Anwendungen in der Computertechnik und Elektronik ermöglichen.
Nur eine einzige Schicht an Atomen reicht aus. Der Schlüssel sind die Kobaltatome.
Foto: Berkeley Lab
Magneten sind in der Elektronik stark nachgefragt. In Speichergeräten bestehen sie in der Regel aus magnetischen Dünnschichten. Diese sind zwar bereits sehr flach, aber wenn man sich die Atome anschaut, wird klar: Hunderte oder Tausende von Atomen sind übereinandergeschichtet. Für die Forschung stellt sich schon lange die Frage, wie noch dünnere Magneten gelingen könnten. Denn das würde es ermöglichen, Daten mit einer viel höheren Dichte zu speichern. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom Berkeley Lab und der University of California (UC) Berkeley scheinen jetzt die Lösung gefunden zu haben: mit einer speziellen Materialmischung.
Der dünnste Magnet verträgt Hitze
Es ist nicht das erste Mal, dass es Forschenden gelingt, 2D-Magneten zu entwickeln, aber die bisherigen Produkte hatten ein Problem gemeinsam: Sie müssen stark gekühlt werden. Bei Raumtemperatur werden sie chemisch instabil, und der Magnetismus geht verloren. „Moderne 2D-Magnete benötigen sehr niedrige Temperaturen, um zu funktionieren. Aber aus praktischen Gründen muss ein Rechenzentrum bei Raumtemperatur laufen“, sagt Jie Yao, Wissenschaftlerin im Institut für Materialwissenschaften des Berkeley Labs. „Unser 2D-Magnet ist nicht nur der erste, der bei Raumtemperatur oder höher funktioniert, sondern er ist auch der erste Magnet, der die echte 2D-Grenze erreicht: Er ist so dünn wie ein einzelnes Atom!“
Gelungen ist das den Forschenden mit einer Lösung aus Graphenoxid, Zink und Kobalt. Zunächst haben sie die Mischung einige Stunden in einem herkömmlichen Laborofen gebacken, um eine Atomschicht aus Zinkoxid zu erhalten, mit eingestreuten Kobaltatomen, die zwischen Schichten aus Graphen eingebettet waren. Anschließend brannten sie das Graphen weg, sodass nur eine einzelne Atomschicht aus kobaltdotiertem Zinkoxid übrig blieb. So erhielt sie einen kobaltdotierten van-der-Waals-Zinkoxid-Magneten.
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Mit der perfekten Materialmischung zum dünnsten Magneten
Die Kobaltatome sind der Schlüssel. Denn die Forscherinnen und Forscher fanden heraus, dass das Graphen-Zink-Oxid-System bei einer Konzentration an Kobaltatomen von 5% oder 6% schwach magnetisch wird. Sie erhöhten die Konzentration auf etwa 12% und stellten fest, dass sie einen sehr starken Magneten vor sich hatten. Mehr hilft aber nicht automatisch mehr, denn bei einer Kobaltkonzentration von 15% entstand in dem Material ein spezieller Zustand, Frustration genannt. Dabei konkurrieren verschiedene magnetische Zustände innerhalb des Systems miteinander.
Das klingt gut, wirklich interessant wird die Entwicklung aber erst durch ihre Temperaturresistenz. Denn spätestens bei Raumtemperatur verlieren herkömmliche 2D-Magneten ihre Funktionsfähigkeit. Der Magnet aus Berkeley hält bis zu 100 Grad Celsius aus, ohne instabil zu werden.
Herstellung wäre im industriellen Maßstab möglich
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler glauben, dass die freien Elektronen des Zinkoxids der Schlüssel für den Erfolg sind. Sie sorgen dafür, dass die magnetischen Kobaltatome in dem neuen 2D-Bauelement weiterhin in dieselbe Richtung zeigen, selbst wenn der Wirt, in diesem Fall das Halbleiter-Zinkoxid, ein nichtmagnetisches Material ist. Der Magnetismus bleibt also bestehen.
Das neue Material vereint weitere Pluspunkte in sich: Es ist so flexibel, dass es in fast jede Form gebogen werden kann, ohne zu brechen. Außerdem ist es so dünn, dass diese Eigenschaft die normale Vorstellungskraft überschreitet – es ist eine Million Mal dünner als ein Blatt Papier. Sein Gewicht hat dementsprechend keine Relevanz.
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Die Forschenden gehen davon aus, dass der dünnste Magnet der Welt dazu beitragen könnte, Anwendungen der Spinelektronik oder Spintronik voranzutreiben. Diese neue Technologie nutzt die Ausrichtung des Spins eines Elektrons zur Codierung von Daten. Ansonsten ist es üblich, dass die Codierung über die Ladung der Elektronen erfolgt. Dieses Prinzip spielt auch bei der Entwicklung von Quantencomputern eine wichtige Rolle. Die Erfindung könnte also sogar dabei helfen, einen neuen Supercomputer zu entwickeln. Ein weiterer Aspekt kommt hinzu: Das Herstellungsverfahren ließe sich nach oben skalieren. Es spräche daher nichts gegen eine günstige Massenproduktion.
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