Upptäckten av nya kvantmaterial med magnetiska egenskaper tros öppna för ultrasnabba och betydligt mer energieffektiva datorer och mobila enheter. Hittills har sådana material endast visat sig fungera vid extremt låga temperaturer. Nu har ett forskarlag vid Chalmers tekniska högskola lyckats få ett tvådimensionellt magnetiskt kvantmaterial att fungera vid rumstemperatur.

Den snabba expansionen av informationsteknologier genererar enorma mängder digital data som behöver lagras, bearbetas och kommuniceras. Detta leder till ett ökande behov av energi och förutspås stå för över 30 procent av världens totala energiförbrukning år 2050. Utmaningen har lett till ett paradigmskifte inom materialvetenskapen. Forskning och utveckling inom tvådimensionella kvantmaterial, som bara är några atomer tjocka, har kommit att öppna nya dörrar för utvecklingen av hållbarare, snabbare och mer energieffektiv bearbetning och lagring av data i datorer och mobiler.

Det första atomtunna materialet som isolerades i ett laboratorium var grafen, ett tunt lager av grafit med en enda atoms tjocklek, vilket resulterade i Nobelpriset i fysik 2010. År 2017 upptäcktes tvådimensionella material med magnetiska egenskaper för första gången. Magneter spelar en grundläggande roll i vår vardag, då de bland annat används i sensorer i bilar, hushållsapparater och datorer, och upptäckten banade väg för en mängd nya och mer hållbara teknologier.

– Tvådimensionella magnetiska material är mer hållbara eftersom de är atomiskt tunna och har unika magnetiska egenskaper som möjliggör utvecklingen av nya energieffektiva och ultrasnabba sensorer och avancerade magnetiska minnen och beräkningar, säger Saroj Dash, professor i kvantkomponentfysik på Chalmers. Det gör dem till lovande kandidater för en rad olika tillämpningar.

Tidigare har forskare bara kunnat demonstrera tvådimensionella magneter vid extremt låga temperaturer i laboratoriemiljöer, så kallade kryogena temperaturer, något som har stått i vägen för en bredare användning i samhället. Men nu har en grupp forskare vid Chalmers för första gången kunnat demonstrera en komponent baserad på ett nytt tvådimensionellt magnetiskt material vid rumstemperatur. De använde en järnbaserad legering (Fe5GeTe2) med grafen som kan användas som en källa och detektor för spinnpolariserade elektroner. Genombrottet tros nu möjliggöra en rad tekniska tillämpningar inom industrin såväl som i vår vardag.

– Dessa 2D-magneter kan användas för att utveckla mycket mindre, snabbare och mer energieffektiva minneskomponenter i datorer, säger Bing Zhao, postdoktoral forskare i kvantkomponentfysik och studiens försteförfattare. De kan också användas för att utveckla extremt känsliga magnetiska sensorer inom exempelvis biomedicin, miljöövervakning, navigering och kommunikation.

Konventionella elektroniska logiska komponenter baseras på icke-magnetiska halvledare och använder elektrisk ström för informationsbearbetning och kommunikation. Spinntroniska enheter utnyttjar istället elektronernas spinn för att generera och kontrollera spinnströmmar samt för att konvertera elektriska och magnetiska signaler. Genom att kombinera bearbetning, lagring, sensorer och logik inom en enda integrerad plattform kan spinntronik komplettera och i vissa fall överträffa halvledarelektronik, vilket bland annat resulterar i en lägre energiförbrukning och snabbare databehandling.

Demonstrationen beskrivs i studien Room Temperature Spin-Valve with van der Waals Ferromagnet Fe5GeTe2/Graphene Heterostructure som publicerats i den vetenskapliga tidskriften Advanced Materials. Författarna till studien är Bing Zhao, Roselle Ngaloy, Sukanya Ghosh, Soheil Ershadrad, Rahul Gupta, Khadiza Ali, Anamul Md. Hoque, Bogdan Karpiak, Dmitrii Khokhriakov, Craig Polley, Balasubramanian Thiagarajan, Alexei Kalaboukhov, Peter Svedlindh, Biplab Sanyal och Saroj P. Dash. Forskarna är verksamma vid Chalmers tekniska högskola, Uppsala universitet och Max IV-laboratoriet vid Lunds universitet.

Projektet finansierades av: EU:s Graphene Flagship, Vetenskapsrådet, 2DTECH Vinnova Competence center, Wallenberg Initiative Material Science for Sustainability (WISE) och EU:s FLAG-ERA-projekt.

Forskare har nu för första gången lyckats få en komponent baserad på ett tvådimensionellt magnetiskt kvantmaterial att fungera i rumstemperatur. Den magnetiska 2D-kristallen visas i de blå, gula och vita kulorna och är en blandning av järn-, tellur- och germaniumatomer. Den stora turkosa pilen visar magnetiseringsriktningen för 2D-magneten. Det gråa skiktet illustrerar kolatomerna i grafenkanalen. De mindre turkosa pilarna indikerar de spinnpolariserade elektronerna som injiceras från 2D-magneten in i grafenkanalen. Här fungerar 2D-magneten som en källa för spinnpolariserade elektroner och grafen som en kanal för spinntransport och kommunikation.

Filed under: SvenskTeknik