Bing Zhao

– Att hitta den här samexistensen i ett enda, tunt material är en banbrytande upptäckt, säger Bing Zhao, forskare i kvantkomponentfysik på Chalmers.

– Det innebär att man med fördel kan använda materialet i utvecklingen av ultraeffektiva minneschips för AI-teknologi, mobiler, datorer och framtidens databehandling.

Upptäckten presenteras i senaste numret av tidskriften Advanced Materials. Fenomenet existerar vid rumstemperatur.

Materialet i den tvådimensionella kristallstrukturen är en legering bestående av magnetiska och icke-magnetiska grundämnen (kobolt, järn, germanium och tellurium).

Materialet heter ”(Co₀.₅Fe₀.₅)₅₋ₓGeTe₂” – uttalas ”CFGT” –  och egenskapen den uppvisar kallas FM–AFM-koexistens (ferro–antiferromagnetism-coexistens)

Ferromagnetism är det vi ser i vanliga magneter där atomernas spinn pekar åt samma håll och bygger upp ett gemensamt magnetfält. I antiferromagnetism pekar grannarnas spinn i motsatta riktningar, vilket gör att deras magnetiska moment tar ut varandra.

Fram till idag har FM–AFM-koexistens endast kunnat uppnås genom att man staplar olika slags ferromagnetiska och antiferromagnetiska material på varandra. Chalmers har lyckats kombinera de båda magnetiska krafterna i en enda tvådimensionell kristallstruktur. 

Saroj P. Dash

– Man kan se det som ett perfekt, förmonterat magnetiskt system som inte hade gått att återskapa med andra konventionella material, säger Saroj P. Dash, professor i kvantkomponentfysik på Chalmers.

– Det här är något forskare har sökt efter ända sedan magnetism började nyttjas i minnesteknologi.

När minnesenheter lagrar information behöver riktningen på elektronerna i enhetens material växla åt olika håll. I konventionella material uppnås det idag med hjälp av externa magnetfält som växelvis drar elektronerna i olika riktningar. 

Den kombination av motsatta magnetiska krafter som finns inbyggd i Chalmersforskarnas nya material ger den sammantagna magnetiska riktningen en lutning. 

– Den här lutningen gör det möjligt för elektronerna att snabbt och enkelt kunna ändra riktning utan externa magnetfält. När man kan ta bort dessa energikrävande magnetfält kan energiförbrukningen minska med 90 procent, säger Bing Zhao.

I Chalmersforskarnas minnesenheter läggs lager av den tvådimensionella strukturen på varandra. Till skillnad från konventionella material som hålls samman av starka kemiska bindningar, hålls dessa atomtunna lager samman av svagare så kallade van der Waals-krafter.

När ett enda material innehåller olika magnetiska beteenden blir det oproblematiskt att stapla det i flera lager.

– Tidigare har det varit nödvändigt att använda lager av olika sorters magnetiska filmer vilket skapar en slags besvärlig ”söm” i gränsytorna, som i sin tur innebär att minnesenheterna blir mindre tillförlitliga och svårare att tillverka, säger Saroj P. Dash. 

Minnesenheterna tillverkades i Chalmers renrum, Chalmers MyFab, och materialet togs fram av HqGraphene. Strukturella karakteriseringar  och magnetiseringsmätningar utfördes vid Chalmers Materialanalyslaboratorium (CMAL).

Teoretiska beräkningar utfördes av en forskargrupp vid Uppsala universitet. Elektroniska och magnetiska karakteriseringar utfördes vid laboratoriet för kvantfysikaliska komponenter vid Chalmers.