一种二维室温磁铁可以解锁量子计算

只有一个原子厚的新型磁性材料可以操纵电子的自旋，用于下一代数据存储。

从计算机到信用卡再到云服务器，当今的技术都依赖于磁铁将编码数据固定在存储设备上。但是磁铁的大小限制了存储容量，即使是纸一样薄的磁铁也会占用很多本可以更好地用于编码信息的空间。

现在，一项发表在Nature Communications上的研究显示，研究人员设计了一种世界上最薄的磁铁：只有一个原子厚的柔性氧化锌和钴片。“这意味着我们可以使用相同数量的材料存储更大量的数据，”该研究的资深作者、加州大学伯克利分校的工程师姚杰说。

除了缩小传统数据存储空间之外，厚度小于1纳米的磁铁对于开发自旋电子学（自旋电子学的简称）是必不可少的：可以使用电子的自旋方向而不是电荷来编码数据。这种磁铁甚至可以帮助激发电子进入“量子叠加态”，让粒子同时占据多个状态。这样，数据可能会使用三种状态（向上或向下旋转，或同时以两种方式旋转）来存储，而不是通常的两种状态。

通常，类似的纳米级磁体必须降温到 –196°C的低温以维持磁场。这一要求对创建商业自旋电子器件或缩小传统数据存储空间构成了巨大障碍。“你不想随身携带低温冷却器，”芝加哥大学自旋电子学研究员大卫·奥沙洛姆说，他没有参与这项研究。“因此，拥有一种在室温下既紧凑又灵活的磁性材料非常重要。”

这种新磁性材料的二维晶格在室温下可以完美运行——它甚至在足以煮沸水的温度下保持磁化。将这些特定元素结合起来的决定至关重要，锌和氧本身没有磁性，但它们与钴等磁性金属相互作用。通过调整钴原子与氧化锌分子的比例，该团队“调整”了材料的磁场强度。大约12%的钴是他们的最佳选择——低于 6% 时磁铁太弱而无法发挥作用，而超过15%时它变得不稳定。

姚杰认为，来自氧化锌的游离电子有助于稳定钴原子，保持磁场完整。姚杰说：“目前的假设是电子作为信使，让这些钴原子能够相互‘交谈’。”

爱尔兰三一学院的计算物理学家桑维托（Stefano Sanvito）也没有参与这项研究，但他表示磁铁的有用性取决于它如何与其他二维材料相互作用。他说，堆叠各种单原子薄膜层“就像摞一副纸牌”，将使工程师能够为从安全数据加密到量子计算的大量应用，去量身定制下一代自旋电子学技术：“这将非常有趣。”

编译：王珩

编辑：慕一