Ученые из Швейцарского федерального политехнического университета Лозанны (Swiss Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, EPFL) создали опытный образец так называемой суперрешетки, матрицы одноатомных магнитов, упорядоченных с высокой точностью на поверхности графенового основания. Эта суперрешетка может стать основой нового типа устройств хранения информации, плотность которых приближается к теоретическому максимальному пределу и составляет не менее 115 терабит на квадратный дюйм.

Для получения возможности использования одноатомных магнитов ученые прибегли к некоторым уловкам для того, чтобы гарантировать стабильность этих магнитов и исключить возможность их взаимного влияния, которое может повлечь за собой потерю хранимой информации. В качестве магнитов ученые, возглавляемые профессором Харальдом Бруне (Harald Brune), использовали атомы диспрозия (dysprosium), которые были помещены на поверхность основания из иридия, покрытого слоем графена.

Стабильность магнитных свойств атомов диспрозия обеспечивалась несоответствием строения кристаллической решетки графена и иридия наряду с несоответствием магнитных свойств этих материалов. Кроме этого, сотовидная структура графена стала своего рода «лесами» решетки, в узлах которой на равномерном удалении друг от друга расположились одноатомные магниты.

Атомы диспрозия были осаждены на поверхность подложки при температуре в 40 градусов Кельвина. При такой температуре собственное тепловое движение этих атомов вынудило их самостоятельно разместиться в центре шестигранной ячейки графена. Равномерность и периодичность кристаллической структуры графена обусловила то, что расстояние между любыми соседними атомами диспрозия было равно 2.5 нанометрам.

После формирования суперрешетки из атомов диспрозия ученые исследовали несколько методов, при помощи которых можно управлять и контролировать состояние этих крошечных магнитов, включая контроль рассеивания электронов и фононов на поверхности, квантовое туннелирование и т.п. Графен, окружающий атомы диспрозия, выступает в роли барьера, защищающего эти атомы и их магнитное состояние от рассеивания свободными электронами и фононами. Кроме этого, атомы диспрозия могут находиться лишь в нескольких фиксированных магнитных состояниях, это, в свою очередь, не позволяет атомам терять это состояние за счет эффекта туннелирования, увеличивает стабильность одноатомных магнитов и суперрешетки в целом.

Проведенные исследования показали, что одноатомные магниты обладают достаточно большим гистерезисом, который превышает гистерезис лучших молекулярных магнитов на основе все тех же ионов диспрозия. Свою роль в этом деле играет наличие каждого из элементов основания, графена и иридия, удаление любого из этих элементов крайне отрицательно сказывается на стабильности решетки.

Одним из недостатков созданной учеными суперрешетки является то, что ее стабильность резко падает при повышении температуры. Ученые в скором времени планируют решить эту проблему при помощи использования графена, выращенного на специальной тепло- и электроизолирующей подложке. И в случае удачи данного мероприятия ученые смогут начать разработку первых практических устройств хранения информации на базе суперрешетки одноатомных магнитов.