科學家最新發現：新磁性元素

由明尼蘇達大學的研究人員領導的一項新的實驗發現表明，釕(Ru)的化學元素是在室溫下具有獨特磁性的第四個元素。這一發現可以用來改進感測器、計算機記憶體和邏輯行業的裝置，或者使用磁性材料的其他裝置。鐵磁性的使用，或某些材料(如鐵)形成永磁體或被磁體吸引的基本機制，在磁石被用於導航時可追溯到遠古時代。從那時起，週期表上只有三種元素被發現在室溫鐵(Fe)、鈷(Co)和鎳(Ni)中鐵磁性。稀土元素釓(Gd)幾乎只會失去8攝氏度。

這張示意圖說明了Ru的一個正方階段是如何被迫使用超薄薄膜生長方法的。圖片：University of Minnesota, Quarterman et al, Nature Communications

磁性材料在工業和現代技術中非常重要，它被用於基礎研究和許多日常應用，如感測器、電動機、發電機、硬碟介質以及最近的自旋記憶。由於薄膜的生長在過去的幾十年裡得到了改善，所以有能力控制水晶的晶格結構——甚至是在自然界中不可能的力量結構。這一新的研究表明，Ru可以成為第四種單元素鐵磁材料，利用超薄薄膜來推動鐵磁相。研究發表在最近一期的《自然通訊》上。論文的主要作者是最近的明尼蘇達大學博士研究生Patrick Quarterman，他是國家標準與技術研究所(NIST)的國家研究委員會(NRC)博士後研究員。

明尼蘇達大學的Robert F. Hartmann教授說：磁性總是令人驚歎，它再次證明自己，我們很興奮，也很感激能成為第一個實驗證明並將第四鐵磁元素加入週期表的實驗組。這是一個令人興奮但又困難的問題。我們花了大約兩年的時間才找到一種正確的方法來“種植”這種材料並驗證它。這項工作將激發磁性研究團體，研究許多著名元素磁性的基本方面。該小組的其他成員也強調了這項工作的重要性。威斯康辛大學麥迪遜分校材料科學與工程學系的教授兼系主任研究報告的合著者保羅·沃勒斯(Paul Voyles)說：在原子尺度上操縱和表徵物質的能力是現代資訊科技基石，我們與明尼蘇達大學教授王教授的團隊合作表明，即使在最簡單的系統中，這些工具也能找到新的東西，包括一個單一的元素。

行業合作伙伴同意合作是創新的關鍵

該高解析度電子顯微鏡影象證實了研究作者所預測的Ru的正方相位。圖片：University of Minnesota, Quarterman et al, Nature Communications

英特爾公司的資深研究員兼董事伊恩·a·揚說：英特爾對它與明尼蘇達大學和C-SPIN的長期研究合作感到高興，我們很高興能夠通過探索材料中量子效應的行為來共享這些發展，這可能為創新的節能邏輯和記憶裝置提供洞見。其他行業領袖一致認為，這一發現將對半導體行業產生影響。自旋電子裝置對半導體行業的重要性正迅速上升，美國國防高階研究計劃局(DARPA)贊助的半導體研究公司聯盟(SRC)的負責人託德·揚金(Todd Younkin)說。對磁性材料的理解取得了根本性的進步，如王教授和他的團隊在這項研究中所展示的，對於實現計算效能和效率的持續突破至關重要。

新技術需要新穎的材料

在資料儲存技術中，磁記錄仍然占主導地位，但基於磁性的隨機存取儲存器和計算開始取而代之。這些磁性儲存器和邏輯器件對磁性材料施加了額外的約束，與傳統的硬碟介質磁性材料相比，資料儲存和計算。這種對新材料的推動使人們重新燃起了對實現預測的興趣，這些預測表明，在合適的條件下，如Ru、鈀和鋨等非鐵磁性材料會變成鐵磁性。根據已有的理論預測，明尼蘇達大學的研究人員利用種子層工程迫使Ru的正方階段，它更傾向於有六邊形的結構，並在室溫條件下，在單個元素中觀察到鐵磁性的第一個例項。

該晶體結構和磁性材料的特點是與明尼蘇達大學的表徵設施和威斯康星大學的同事合作。研究人員說：這項研究為這種新型鐵磁Ru的基礎研究開啟了大門。從應用的角度來看，Ru是很有趣的，因為它是抗氧化的，而另外的理論預測認為它具有很高的熱穩定性——這是對磁性記憶的重要需求。對這種高溫穩定性的研究是明尼蘇達大學正在進行的研究的重點。

博科園-科學科普｜參考期刊：Nature Communications｜來自：明尼蘇達大學