Kremík nájdeme v telefónoch, počítačoch a akejkoľvek ďalšej elektronike. Je totiž základným materiálom na výrobu polovodičov, z ktorých sa vyrábajú ich komponenty. Tento po desaťročia používaný prvok však dosiahol svoje limity. Českí vedci z Ústavu fyzikálnej chémie J. Heyrovského AV ČR popísali vlastnosti jodidu chromitého, materiálu, ktorý by mohol úlohu kremíka čiastočne zastúpiť. Významnú štúdiu publikoval odborný časopis Physical Review B.
Elektronika prechádza neustálym procesom miniaturizácie. Lenže jej základné súčiastky nemôžu byť kvôli fyzikálnym vlastnostiam kremíka oveľa menšie. Nádeje odborníkov sa upínajú k pokročilým 2D materiálom.
Štruktúra dvojrozmerných materiálov pripomína pravidelnú sieť s hrúbkou jediného atómu. Hoci sa predpokladá, že existujú stovky takýchto jednovrstvových materiálov, ich vlastnosti nie sú dostatočne preskúmané. Prvý z nich, grafén, totiž vedci objavili iba pred pätnástimi rokmi. Ako popísal ich špecifické vlastnosti Martin Kalbáč z Ústavu fyzikálnej chémie J. Heyrovského AV ČR: „Existuje ich celá rodina. Okrem grafénu, čo je polokov, zahŕňa aj izolanty, polovodiče, supravodiče, alebo magnety.“
Martin Kalbáč sa s kolegami vo svojom bádaní zamerali na jodid chromitý, materiál s chemickým vzorcom CrI3. Jeho štruktúru tvorí jediná vrstva atómov chrómu a jódu s hrúbkou približne jedného nanometra. Experimenty mali za cieľ poodhaliť, ako sa bude materiál správať v rôznych tlakových a teplotných podmienkach. Ako vysvetlil postup experimentu Haider Golam z toho istého ústavu: „Kryštál sme podrobili vysokému tlaku, 20 gigapascalov a viac, a zmeny magnetického stavu sme sledovali spektrometrom.“
Nové a nečakané vlastnosti
Tím výskumníkov zistil, že pri tlaku do 22 gigapascalov sa materiál chová ako takzvaný feromagnet. Prechádza spontánnou magnetizáciou, kedy sa spiny všetkých jeho elektrónov zorientujú do jedného smeru. Naopak pri tlaku vyššom, nad 30 gigapascalov, začne vykazovať vlastnosti antiferomanetu. Pri ňom sa spiny usporiadajú protichodne a materiál nevykazuje takmer žiadny vonkajší magnetizmus.
Odborníkov ale zaujímali vlastnosti kryštálu po tom, čo ho vystavili nízkej teplote. Medzi spomínanými 22-30 gigapascalmi sa jodid chromitý začal chovať ako takzvané spinové sklo. Ako doplnila Jana Kalbáčová Vejpravová z Univerzity Karlovej: „Spiny elektrónov tu môžu zaujať mnoho rôznych usporiadaní, nie sú periodicky usporiadané ako v bežných magnetoch.“ Názov spinové sklo pramení z toho, že svojim atomárnym usporiadaním pripomína štruktúru kremíka a kyslíka v skle.
Rýchlejší záznam a viac dát
Táto vlastnosť sa obzvlášť hodí na výrobu záznamových zariadení, napríklad pamätí. Ako opísal Martin Kalbáč: „Magnetické ukladanie dát je jedným z klasických spôsobov, ako zachovávať informácie.“ Ďalej dodal, že magnetizmus je v princípe spôsobený práve spinom elektrónov v atómoch.
Na magnetické disky sa dáta ukladajú tak, že sa pri zázname vytvorí stabilná orientácia jedného pólu. Tá určuje binárnu informáciu (1 alebo 0), ktorú je možné neskôr prečítať. „Očakáva sa, že veľkou výhodou budúcej elektroniky vyrobenej z materiálov ako je jodid chromitý bude odolnosť voči vonkajšiemu rušeniu a šumu.“
Podobné technológie sú jednou z nádejných ciest, ako zvýšiť kapacitu pamätí a znížiť ich veľkosť. Pretože má 2D materiál na šírku obyčajný atóm, súčiastka môže mať viac priestoru na záznam. Avšak podľa Martina Kalbáča sa elektronika svojej závislosti na kremíku touto cestou hneď tak nezbaví. „Vhodná kombinácia 2D materiálov však môže poskytnúť jedinečné možnosti pre návrh zariadení, ktoré budú mať lepšie vlastnosti ako tie, ktoré sú postavené úplne na báze kremíka.“
Viac informácií:
Exotic magnetic and electronic properties of layered CrI3 single crystals under high pressure
Zdroj: https://www.avcr.cz, zverejnené: 31. 3. 2022, autor: rpa
