科學家發現新磁性元素

這個示意圖說明了如何使用超薄薄膜生長方法實現釕的四方相的生長。圖片來源：明尼蘇達大學，《自然通信Nature Communications》雜誌。

由明尼蘇達大學研究人員領導的一項新的實驗發現表明，化學元素釕（Ru）是室溫下具有獨特磁性的第四個單一元素。這一發現可用於改進感測器、計算機內存和邏輯設備中的設備，或使用磁性材料的其他設備。

鐵磁的使用，或某些材料（如鐵）形成永磁體或被磁鐵吸引的基本機制，在磁石用於導航時早達遠古時代。從那時起，周期表中只有三種元素在室溫鐵（Fe）、鈷（Co）和鎳（Ni）中被發現是鐵磁性的。稀土元素釓（Gd）在幾乎8攝氏度時就失去了磁性。

磁性材料在工業和現代技術中是非常重要的，已經被用於基礎研究和許多日常應用中，如感測器、電動機、發電機、硬碟介質和最近的自旋電子存儲器。隨著薄膜生長在過去幾十年中的發展，控制晶體晶格結構的能力，甚至是在自然界中不可能的力結構也是如此。這一新的研究表明，釕材料可以是通過使用超薄薄膜來製作的第四種單元素鐵磁性材料。

在最近一期的《自然通信Nature Communications》雜誌上，他們描述了他們這項研究工作的一些細節。該論文的主要作者是明尼蘇達大學最近的博士生Patrick Quarterman，他是國家標準研究院（NIST）國家研究委員會（NRC）博士後研究員。

「磁力總是驚人的。它再次證明了自己。我們很興奮，並且感激自己成為第一組實驗證明，並將第四鐵磁性元素在室溫下添加到周期表，」明尼蘇達大學Robert F. Hartmann教授，以及論文的通訊作者電氣和計算機工程Jian-Ping Wang表示說。

「這是一個令人興奮但很難解決的問題。我們花了大約兩年的時間來找到一種正確的方法來生長這種材料並驗證它。這項工作將觸發磁性研究社區，以了解許多知名元素磁性的基本方面，」Wang補充說。

該小組的其他成員也強調了這項工作的重要性。

上圖高解析度電子顯微鏡圖像證實了釕的四方相，正如研究作者所預測的那樣。圖片來源：明尼蘇達大學。

「在原子尺度上操縱和表徵物質的能力是現代信息技術的基石，」研究共同作者Paul Voyles說，他是威斯康星大學麥迪遜分校材料科學與工程系的貝克斯巴斯科姆教授和主席。「我們與明尼蘇達大學Wang教授的小組合作表明，這些工具即使在最簡單的系統中也能找到新的東西，且只有一個元素。」

行業合作夥伴一致認為合作是這項創新的關鍵

英特爾公司對與明尼蘇達大學和C-SPIN [自旋電子材料、介面和新型架構中心]的長期研究合作感到滿意，英特爾公司高級研究員兼董事Ian A. Young說，「我們很高興能夠通過探索材料中量子效應的行為來分享這些發展，這可以為創新的能效邏輯和存儲設備提供見解。」其他行業領袖一致認為，這一發現將對半導體產業產生影響。

「自旋電子器件對半導體工業的重要性正在迅速增加，」國防研究計劃署（DARPA）贊助的半導體研究公司（SRC）的財團主任Todd Younkin說。「我們對磁性材料的理解，如Wang教授和他的團隊在這項研究中證明的基本進展，對於實現計算性能和效率的持續突破至關重要。」

新技術需要新材料

磁記錄仍然是數據存儲技術的主要參與者，但是基於磁性的隨機存取存儲器和計算正開始取代它。這些磁性存儲器和邏輯器件對磁性材料施加額外的約束，其中數據被存儲和計算，與傳統硬碟介質磁性材料相比。這種新型材料的推動力使人們對實現預測的嘗試產生了新的興趣，這表明在適當的條件下，非鐵磁性材料，例如釕、鈀（Pd）和鋨（OS）可以變成鐵磁性的。

根據已建立的理論預測，明尼蘇達大學的研究人員使用種子層工程來實現釕的四方相，後者傾向於具有六角構型，並且在室溫下觀察到單一元素中的鐵磁性的第一實例。通過與明尼蘇達大學和威斯康星大學的研究人員合作，晶體結構和磁性得到了廣泛的表徵。

研究人員說，這項研究為這一新的鐵磁釕的基礎研究打開了大門。從應用的角度來看，釕是有趣的，因為它是抗氧化的，並且另外的理論預測聲稱它具有高的熱穩定性，這是縮放磁性存儲器的重要要求。對這種高的熱穩定性的檢查是明尼蘇達大學正在進行的研究的重點。

來源：https://phys.org/news/2018-05-scientists-magnetic-element.html

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