单原子存储材料

单原子存储材料

钬在镧系元素中位于镝之后,属于重稀土,在地壳中的丰度为1.4ppm,也是稀土中的稀有者,他除了具有稀土所共有的物理和化学性质,特别是重稀土元素的特性外,和其它单一稀土元素相比,对其独当一面的本征特性挖掘得还不够,尚缺乏独特而又量大面广的应用领域,其应用市场还有待进一步开拓。

钬的传统应用

钬最广泛的用途是钬激光器。钬激光的工作递质为钬-钇-铝石榴石(Ho :YAG),是利用氪闪烁光源激活嵌在钇-铝石榴石晶体上的稀有元素钬而产生的脉冲式近红外线激光,波长为2140nm,恰位于水的吸收范围。激光的脉冲时间为0.25ms,远远小于组织的热传导时间(1ms),故对周围组织热损伤极小,组织穿透深度小于0.4mm,其余热损伤深度可达0.5~1.0mm,组织的凝固与坏死局限于3~4mm。钬激光在水中有很高的吸收系数,因为组织主要由水组成,所以主要的能量集中在表层,使激光具有极好的切割能力和组织切除能力,在组织切割过程中对于直径为1mm的血管也可以进行止血,这就为需要高精度高能量瞬间切除的前列腺增生剜切、尿道狭窄及尿路肿瘤切除手术提供了一种前途光明的新手段。钬激光亦具有非常优秀的碎石功能,通过一种"钻孔效应"汽化结石为细小的碎粒排出体外,可以高效粉碎各种成分的泌尿系结石,并且可以导致结石表面和内部含有的水分在瞬间吸能高度汽化膨胀,造成无数连续的微小爆破,并且这些微爆破又产生二次冲激波,于是患者体内的泌尿系结石立刻豆腐碴般在双重微爆下由表及里层层崩解。钬激光还有一个特点,就是其光波可以经由氧化硅石英光纤传导,这种光纤是可曲性的,因此非常适合在内镜下进行治疗。结合腔镜技术,对于阻碍结石排出的远端输尿管狭窄或炎性息肉包裹,可以在碎石时一并用钬激光予以处理,大大提高了结石治疗的一次成功率。因而医学界称钬激光技术的应用是泌尿外科医疗划时代的技术革命。

像激光钕玻璃一样,三价钬离子也可用做激光玻璃。其优点是:易于制备,利用热成型和冷加工可制得不同尺寸和形状,比激光晶体灵活性大,既可拉成直径小至微米的纤维,又可制成几厘米直径和几米长的棒材或圆盘件。钬激光玻璃是一种输出脉冲能量大、输出功率高的固体激光材料,用其制成的大型激光器可可用于进行热核聚变研究。

铌酸锂LiNbO3(LN)、钽酸锂LiTaO3(LT)晶体材料是一种非常重要的人工晶体材料,是信息产业赖以生存和发展的关键基础电子材料之一,广泛应用于声电子学、光电子学及光通讯领域。其中光学超晶格材料更是近年来凝聚态物理和材料科学领域倍受关注的人工微结构材料,具有特殊的光电功能,是对近红外半导体激光器LD直接倍频所用的材料。掺杂钬离子的LN和LT光学超晶格材料更是集优秀非线性光学性质和稀土离子丰富的光谱特性于一身,在单一泵光的激励之下,可同时实现准位相匹配倍频与频率上转换这两种截然不同的过程,获得上转换与倍频光的同时输出,从而填补了短波长激光器与双波长激光器研究中的一个空白,可望在全色显示、激光医疗、光通讯等领域发挥重要的作用。

钬的另一个主要用途是用作金属卤化物灯添加剂。金属卤化物灯是一种气体放电灯,它是在高压汞灯基础上发展起来的,实质上是一种添加了金属卤化物的高压汞灯。石英玻璃灯泡中充添碘化钬和碘化镝之类的稀土卤化物,当气体放电时在可见光区可发出强而密集个谱线。由于在电弧区可以获得较高的金属原子浓度,大大提高了辐射效能。根据添加不同的金属卤化物,习惯上便以该种金属的名称来给给这种灯冠名,如镝灯、钬灯、镝钬灯和钪钠灯等。镝、钬、铒、铥、钪等五种稀土元素碘化物均是制造金属卤化物灯的优质材料,但它们的蒸汽压比汞低得多,需要同时填充碘化铊才能使灯的发光效率和显色性能明显提高。钬灯比镝灯(5000K)色温高,更适合于室外照明,可通过与镝、铒、铥、钪等其它稀土的卤化物组合,制成不同颜色的光源材料,广泛应用于大型广场、机场、宾馆、广告牌等高层建筑外的立面装饰照明,可以凸现出建筑物轮廓鲜明、色彩绚丽的立体效果,被称作现代城市夜景的“光彩雕刻师”。

钬作为添加组分,还可用于改善许多其它功能材料的性能,如钬作为重稀土加入高性能铁硼永磁材料中,能提高材磁体其某些性能;在铽镝铁磁致伸缩合金Terfenol-D中加入少量的钬,可以降低合金饱和磁化所需要的外场;以铕为主激活剂,以钬、铒等为共激活剂,可以制备碱土金属铝酸盐长余辉荧光粉;用掺钬的光纤可以制作光纤激光器、光纤放大器、光纤传感器等光通讯器件;掺钬的氟亚碲酸盐玻璃可用于制造放大器光学元件;以掺杂钬的钛酸钡为主要组分,钙镁硅酸盐为次要组分的复合氧化物,可用于制造介电陶瓷和单块陶瓷电容器,具有很高的使用可靠性。

钬的最新应用研究

钬的最新的应用是作为单磁子存储材料。把一块磁铁一分为二,它就变成了两块小磁铁。再分割一次,就成了4块。但当磁铁越来越小时,它们的磁场就没那么稳定了:磁极会来回翻转。现在,物理学家能够把单原子变成了稳定的磁子。

洛桑苏黎世联邦理工学院的物理学家Fabian Natterer和他的研究团队今年在《自然》上发表论文,表示用钬单原子磁子制作出原子硬盘。这个原子硬盘包含两个钬单原子磁子,只能存储2字节的数据。这种硬盘规模扩大后能把硬盘的存储密度提高1000倍。”目前市面上的存储设备需要用一百万个原子来表示比特单元。但是,物理学家在实验室里已经把表示1比特数据所需的原子大大减少:从2012年Loth S. 等人使用12个原子到今天只需要一个原子。

Natterer和他的团队用的是稀土元素钬(Ho, 67号元素)。他们将钬原子放在氧化镁板上,置于低于5开尔文温度的环境下。研究人员选择钬原子作为单原子存储材料的原因是,钬原子有很多未配对电子,这些未配对电子在低温下能产生很强的磁场。同时,由于这些电子分布在靠近原子中心的轨道上,受到外界环境的干扰很小。这些特点让钬原子能产生很强并且稳定的磁场。

为了将数据写入一个钬原子上,研究人员需要找到一种方法控制并改变它的磁场极性。他们通过隧道显微镜的磁化尖端释放电流来控制钬原子的磁场极性。在测试过程中,钬原子磁子很稳定,能够在长达几个小时内保持自身磁场极性,并且研究人员从未观察到不受控制的磁极翻转。他们使用同一台隧道显微镜,通过施加不同的电流检测原子的磁性状态,从而读取存储的数据。

为了进一步验证磁化尖端能准确地读出字节数据,研究团队与IMB的研究人员合作开发了第二种间接读取原子磁性状态的方法。他们在两个钬原子旁边镶嵌了一个铁原子,利用铁原子和钬原子的电子自旋共振(electron spin resonance, ESR),将铁原子的电学性质与两字节钬原子系统关联起来,把铁原子当做钬原子的磁性状态传感器。通过测量铁原子的电学性质,即可得到钬原子的磁性状态。研究团队发现,这种间接方法可以同时读取多个字节的磁性状态,因此实用性更强。并且,相对于使用隧道显微镜的方法,后者显然对钬原子系统的破坏小很多。单原子磁性存储系统的优点在于它能够兼容自旋电子器件。这项利用原子磁性状态的新技术不仅可以用来存储数据,还可以代替电流在计算机中传递信息,同时这样的系统会更加节能。

我们深信,随着科学技术的进步和发展,钬也会象其他稀土元素一样,在不远的将来,为我们展示出更加美好的应用前景。

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