Tuy nhiên, một tính chất quan trọng trong ứng dụng lưu trữ dữ liệu và thiết bị điện tử, trong một thời gian dài vẫn khó nắm bắt được: từ tính.

Trong thời gian dài, nhiều chuyên gia cho rằng, từ tính 2D chỉ tồn tại trên lý thuyết, nhưng năm 2017, một phát hiện đột phá đã xảy ra với những phép đo đầu tiên về từ tính được thực hiện trong crom triiodide (CrI3) và Cr2Ge2Te6.

Khám phá này dấy lên sự quan tâm mới về những điều chưa biết đến vật liệu hai chiều. Tiến sĩ Elton Santos thuộc Đại học Edinburgh cho biết: “Vẫn chưa rõ từ tính phát triển như thế nào trong 2D.”

Santos là thành viên của nhóm khoa học, đang nghiên cứu vật liệu này nhận định, kết quả của những miền từ tính, phát hiện được trong 2D CrI3, có các đặc tính hơn hẳn những tính chất vốn có trong nam châm thông thường, trong đó những hiệu ứng lượng tử đóng vai trò quan trọng.

Phát hiện của  các nhà khoa học được công bố trên tạp chí Vật liệu nâng cao (Advanced Materials).

Santos cho biết: “Sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa các tương tác khác nhau thường sắp xếp các spin của nguyên tử trong những vùng không gian nhỏ trên vật liệu, có các hướng khác nhau hình thành cái được gọi là‘ miền từ tính ’.

 “Tuy nhiên, trong trường hợp CrI3 đơn lớp, chúng tôi quan sát thấy, các miền tự tụ lại thành những mảng đủ lớn bao phủ toàn bộ bề mặt của vật liệu, giống như trong một hạt đơn miền nhưng không có từ trường.

 “Các vật liệu sở hữu vùng từ tính lớn như vậy có thể được sử dụng trong những quy trình ứng dụng từ tính khác nhau, như lưu trữ thông tin, nhưng hiệu quả hơn nhiều trong một khu vực mỏng hơn tóc người khoảng 10.000 lần”.

Khi được phát hiện lần đầu tiên vào năm 2017, các vật liệu 2D như CrI3 ban đầu được phân loại là nam châm mô hình Ising, mô hình toán học đơn giản nhất mô tả nam châm như một mạng tổ ong của các spin, có thể tồn tại một trong hai trạng thái: spin quay lên hoặc spin quay xuống.

Mỗi spin hoạt động giống như một nam châm mini với mô men từ trường riêng; nếu tất cả các spin đều thẳng hàng và cùng chiều, toàn bộ mạng sẽ hoạt động giống như một nam châm lớn có mômen từ trường.

Nhưng Santos và các đồng nghiệp cảm thấy phương pháp phân loại này không nắm bắt được đầy đủ những đặc tính của vật liệu 2D này, do quan sát thấy một số hiện tượng trái ngược nhau.

Santos cho biết: “CrI3 được coi là nam châm Ising, nhưng đồng thời cũng cho thấy những đặc tính không tương thích với tính chất này, đó là sóng spin – những biến động liên tục có định hướng của các spin trong dạng sóng.

 “Sóng spin được đo bằng những kỹ thuật khác nhau, bao gồm tán xạ neutron và quang phổ Raman và do nhiều nhóm khác nhau trên toàn thế giới thực hiện. Vì vậy, chúng tôi cho rằng có điều gì đó chưa chính xác.”

 “Nếu xem trong sách giáo khoa về trạng thái rắn hoặc thậm chí trên Wikipedia, có thể thấy rằng nam châm Ising không thể giữ được sóng spin do những hạn chế về hướng của spin. Nhưng một mô hình cơ học lượng tử, nơi các spin có thể giả định các hướng khác nhau (phi Heisenberg) có thể được sử dụng để mô tả chính xác nó ”.

Nhóm nhà khoa học của Santos khám phá được là một tính năng độc đáo của các vách miền trong vật liệu 2D, hình thành do độ cao thấp tuyệt đối (bản chất 2D) của vật liệu.

“Thật đáng kinh ngạc, chúng tôi xác định được, các hiệu ứng lượng tử thực sự làm ổn định những tính chất từ tính của CrI3, cho phép các vách miền, ranh giới giữa các miền từ tính có tính không đối xứng - một tính chất của sự bất đối xứng, nhờ đó một vật thể có thể phân biệt được với ảnh phản chiếu trong không gian, như tay trái và tay phải, ”Santos nói.

Trong các nam châm thông thường như sắt, vách miền ngăn cách các miền từ tính, nhưng không thay đổi và tĩnh theo thời gian.

Vách miền từ tính trong vật liệu 2D

 

 “Do bản chất 2D của lớp CrI3,” ông tiếp tục, “các miền từ tính trong 2D CrI3 không hoàn toàn ổn định - nghĩa là tiếp tục phát triển theo thời gian, gây ra sự thay đổi theo hướng của các spin dọc theo các vách miền từ tính”.

Các nhà khoa học tình cờ quan sát thấy sự thay đổi hướng của mô hình spin tuyệt đẹp này và thúc đẩy nhóm nghiên cứu sâu hơn.

 “Chúng tôi phát hiện được, mặc dù CrI3 chỉ có độ dày vài nguyên tử, nhưng chiều rộng của vách miền có tính đặc trưng của nam châm vĩnh cửu, như các hạt nano sắt có độ dày nanomet. "

Nhóm khoa học đang nghiên cứu đưa các nam châm mỏng này vào cấu trúc căn bản của những thiết bị khác nhau, có sự kiểm soát các vách miền từ tính được điều khiển bởi các dòng điện.

Được thiết kế ban đầu bởi Stuart Parkin và nhóm của ông tại Trung tâm nghiên cứu IBM Almaden vào năm 2008, hiện tượng này được sử dụng để xây dựng cái được gọi là Bộ nhớ racetrack, một thế hệ linh kiện bộ nhớ không tự xóa phát triển dựa trên nền tảng công nghệ spintronics, tổ chức dữ liệu trong một vi mạch 3D với hy vọng trong tương lai có thể thay thế lưu trữ dữ liệu thông thường.

Tiến sĩ Santos nói: “Chúng tôi tin rằng, thực hiện hóa những phát hiện mới trong cấu trúc Bộ nhớ racetrack chỉ là vấn đề thời gian. “Vì vách miền rất hẹp trong các nam châm 2D, đây là tính chất lý tưởng cho những quy trình lưu trữ dữ liệu và vách miền cũng có thể được di chuyển trên các bề mặt khác nhau, tạo điều kiện tích hợp với các những bộ phận bán dẫn hiện có.

 “Ưu thế đặc biệt này dẫn đến việc chế tạo các thiết bị thực tế không thể bị phá vỡ vì vật liệu 2D rất linh hoạt, đủ nhẹ và mỏng để mang theo trên người nhưng có khả năng lưu trữ hàng nghìn tệp lớn. Đó là một hành trình dài trước khi phát hiện này được đưa vào thực tế ứng dụng.”