3D纳米粒子和磁自旋

发布时间：2020-04-24 13:02:21 【来源：】

自从1930年代发明电子显微镜以来，电子显微镜就帮助科学家窥视了普通材料(如钢，甚至是稀有石墨烯)的原子结构。但是，尽管取得了这些进步，但这种成像技术仍无法精确地绘制出液体溶液中材料的3D原子结构图，例如氢燃料电池中的催化剂或汽车电池中的电解质。

现在，伯克利实验室的研究人员与韩国基础科学研究所，澳大利亚莫纳什大学和加州大学伯克利分校合作，开发了一种技术，可产生在石墨烯片之间的液体中翻滚的纳米粒子的原子级3D图像。最薄的材料。他们的发现发表在4月2日的《科学》杂志上。

这项研究的合著者，伯克利实验室分子铸造所的科学家Peter Ercius说：“这是令人激动的结果。我们现在可以测量三维位置的原子，精确度比最小原子氢小六倍。”

这项技术称为3D SINGLE(通过石墨烯液体细胞电子显微镜对纳米颗粒进行结构鉴定)，该技术在伯克利实验室的Molecular Foundry中使用了世界上功能最强大的显微镜之一。研究人员拍摄了成千上万个被“困”在两个石墨烯片之间的液体中的八个铂纳米粒子的图像-称为“石墨烯窗口”。

这些石墨烯片(每片仅一个原子厚)“足够坚固，足以容纳获取纳米粒子原子排列的高质量图像所需的微小液体”，Ercius解释说。

然后，研究人员修改了最初用于生物学研究的计算机算法，将许多2D图像组合成原子分辨率的3D图像。

该成就是对2015年首次报道的一项技术的改进，对研究人员而言是一个重要的里程碑。“使用3D SINGLE，我们可以确定为什么在燃料电池和氢车辆中，如此小的纳米粒子比大的纳米粒子更有效的催化剂，” Ercius说。

精调磁自旋，可实现更快，更小的存储设备

与用于制造典型存储设备的磁性材料不同，反铁磁体不会粘在冰箱上。这是因为反铁磁体中的磁自旋方向相反，彼此抵消。

长期以来，科学家一直认为反铁磁体具有作为超快稳定记忆材料的潜力。但是没有人能弄清楚如何操纵它们的磁化强度以在存储设备中读取和写入信息。

现在，由美国能源部资助的能源前沿研究中心-伯克利实验室和加州大学伯克利分校的一组研究人员在材料量子相干性新途径研究中心开发了一种用于计算机内存和处理应用的反铁磁开关。他们的发现发表在《自然材料》杂志上，对进一步缩小计算设备和个人电子设备的性能没有影响。

科学家使用伯克利实验室分子铸造厂的聚焦离子束仪器，由伯克利实验室材料科学系教授，加州大学伯克利分校凝聚态物理副教授兼Kittel主席James Analytis领导，从原子上制造了该装置。薄的二硫化铌片，一种过渡金属二卤化硅(TMD)。为了形成反铁磁的TMD，他们在每个二硫化铌片之间合成了铁原子层。

研究合著者Nityan Nair和Eran Maniv发现，施加小的电流脉冲会使反铁磁体的自旋旋转，从而反过来将材料的电阻从高变低。

令他们惊讶的是，他们还发现：“这些磁自旋可以用较小的施加电流来翻转或操纵，比任何其他具有类似响应的材料所使用的电流小约100倍，” Analytis说。

研究人员下一个计划测试不同的反铁磁TMD，以期找出一种在室温下运行的系统，从而进一步发展基于电子的自旋电子传递信息的自旋电子学或自旋电子学领域。

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