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科学家发现新磁性元素
[发布日期:2018-06-07  点击次数:584]

由明尼苏达大学的研究人员领导的一项新的实验发现表明,钌(Ru)的化学元素是在室温下具有独特磁性的第四个元素。这一发现可以用来改进传感器、计算机内存和逻辑行业的设备,或者使用磁性材料的其他设备。铁磁性的使用,或某些材料(如铁)形成永磁体或被磁体吸引的基本机制,在磁石被用于导航时可追溯到远古时代。从那时起,周期表上只有三种元素被发现在室温铁(Fe)、钴(Co)和镍(Ni)中铁磁性。稀土元素钆(Gd)几乎只会失去8摄氏度。

这张示意图说明了Ru的一个正方阶段是如何被迫使用超薄薄膜生长方法的。图片:University of Minnesota, Quarterman et al, Nature Communications

磁性材料在工业和现代技术中非常重要,它被用于基础研究和许多日常应用,如传感器、电动机、发电机、硬盘介质以及最近的自旋记忆。由于薄膜的生长在过去的几十年里得到了改善,所以有能力控制水晶的晶格结构——甚至是在自然界中不可能的力量结构。这一新的研究表明,Ru可以成为第四种单元素铁磁材料,利用超薄薄膜来推动铁磁相。研究发表在最近一期的《自然通讯》上。论文的主要作者是最近的明尼苏达大学博士研究生Patrick Quarterman,他是国家标准与技术研究所(NIST)的国家研究委员会(NRC)博士后研究员。

明尼苏达大学的Robert F. Hartmann教授说:磁性总是令人惊叹,它再次证明自己,我们很兴奋,也很感激能成为第一个实验证明并将第四铁磁元素加入周期表的实验组。这是一个令人兴奋但又困难的问题。我们花了大约两年的时间才找到一种正确的方法来“种植”这种材料并验证它。这项工作将激发磁性研究团体,研究许多著名元素磁性的基本方面。该小组的其他成员也强调了这项工作的重要性。威斯康辛大学麦迪逊分校材料科学与工程学系的教授兼系主任研究报告的合著者保罗·沃勒斯(Paul Voyles)说:在原子尺度上操纵和表征物质的能力是现代信息技术基石,我们与明尼苏达大学教授王教授的团队合作表明,即使在最简单的系统中,这些工具也能找到新的东西,包括一个单一的元素。

行业合作伙伴同意合作是创新的关键

该高分辨率电子显微镜图像证实了研究作者所预测的Ru的正方相位。图片:University of Minnesota, Quarterman et al, Nature Communications

英特尔公司的资深研究员兼董事伊恩·a·扬说:英特尔对它与明尼苏达大学和C-SPIN的长期研究合作感到高兴,我们很高兴能够通过探索材料中量子效应的行为来共享这些发展,这可能为创新的节能逻辑和记忆装置提供洞见。其他行业领袖一致认为,这一发现将对半导体行业产生影响。自旋电子设备对半导体行业的重要性正迅速上升,美国国防高级研究计划局(DARPA)赞助的半导体研究公司联盟(SRC)的负责人托德·扬金(Todd Younkin)说。对磁性材料的理解取得了根本性的进步,如王教授和他的团队在这项研究中所展示的,对于实现计算性能和效率的持续突破至关重要。

新技术需要新颖的材料

在数据存储技术中,磁记录仍然占主导地位,但基于磁性的随机存取存储器和计算开始取而代之。这些磁性存储器和逻辑器件对磁性材料施加了额外的约束,与传统的硬盘介质磁性材料相比,数据存储和计算。这种对新材料的推动使人们重新燃起了对实现预测的兴趣,这些预测表明,在合适的条件下,如Ru、钯和锇等非铁磁性材料会变成铁磁性。根据已有的理论预测,明尼苏达大学的研究人员利用种子层工程迫使Ru的正方阶段,它更倾向于有六边形的结构,并在室温条件下,在单个元素中观察到铁磁性的第一个实例。

该晶体结构和磁性材料的特点是与明尼苏达大学的表征设施和威斯康星大学的同事合作。研究人员说:这项研究为这种新型铁磁Ru的基础研究打开了大门。从应用的角度来看,Ru是很有趣的,因为它是抗氧化的,而另外的理论预测认为它具有很高的热稳定性——这是对磁性记忆的重要需求。对这种高温稳定性的研究是明尼苏达大学正在进行的研究的重点。

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