Magneții sunt cool, dar sunt și enervant
Bine, să vorbim puțin despre magneți. Probabil cunoști bazele — polii de același fel se resping, polii opuși se atrag, frigiderul tău este plin de forme drăguțe pentru că companiile au descoperit că e o metodă excelentă de a vinde magneți. Lucruri interesante.
Dar iată problema: magneții obișnuiți (cei numiți feromagneți, dacă vrei să fii tehnic) au un pic de probleme de atitudine. Aceștia creează ceea ce oamenii de știință numesc „câmpuri magnetice reziduale” — practic, transmit constant „vibrațiile” lor magnetice în zona din jur, ceea ce poate perturba componentele electronice din apropiere.
Acum, asta nu e o problemă majoră când lipești un magnet pe un frigider. Dar aici lucrurile devin complicate: dispozitivele noastre electronice devin din ce în ce mai mici. Smartphone-ul tău are deja o putere de calcul mai mare decât computerele care i-au trimis pe astronauți pe Lună. Și pe măsură ce împachetăm tot mai multe componente în spații tot mai mici, acele câmpuri magnetice reziduale devin o adevărată durere de cap.
Astfel, oamenii de știință au explorat un alt tip de material numit antiferomagneți. Aceștia sunt ca maeștrii zen ai lumii magnetice — momentele lor magnetice interne sunt orientate în direcții opuse și, în esență, se anulează reciproc. Fără câmpuri reziduale, fără dramă. Problema? Antiferomagneții sunt cam... plictisitori. Aceștia nu au unele dintre proprietățile electronice utile care îi fac pe feromagneți atât de atrahyanți pentru construirea tehnologiei.
Apare altermagnetismul: Cel mai bun din ambele lumi
Aici lucrurile devin captivante. O echipă de cercetători de la Universitatea din Central Florida, conduși de fizicianul Madhab Neupane, a studiat o formă de magnetism nou recunoscută, numită altermagnetism. Și, conform cercetărilor lor publicate recent, acest lucru ar putea fi exact mijlocul magic pe care l-am căutat.
Gândește-te la altermagnetism ca la introvertitul gânditor care, cumva, a devenit și sufletul petrecerii. Aceste materiale pot funcționa fără a crea acele enervante câmpuri magnetice reziduale (mulțumesc, antiferomagnetismul!). Dar, în același timp, pot genera și detecta ceva numit curenți de spin — practic, fluxul de spinuri ale electronilor printr-un material.
De ce contează asta? Ei bine, computerele noastre actuale se bazează în întregime pe mișcarea sarcinii electrice pentru a procesa informația. Însă electronii au o altă proprietate fundamentală numită „spin” (nu se învârt propriu-zis, dar asta e o altă discuție), iar utilizarea acesteia ar putea deschide modalități complet noi de a gestiona datele.
Materialul perfect
Cercetătorii au găsit dovezi de altermagnetism într-un material numit Co₁/₄TaSe₂, ceea ce sună ca ceva ce ți-ar fi greu să pronunți după două pahare. Este un material stratificat care conține atomi magnetici de cobalt și a fost ascuns la vedere, așteptând ca cineva să privească mai atent.
Ceea ce face acest material deosebit este structura sa. Straturile sunt conectate doar slab, ceea ce înseamnă că cercetătorii le pot separa și recombina în structuri foarte subțiri. Este ca și cum ai construi cu foi extrem de subțiri și flexibile pe care le poți aranja cum vrei. Acest lucru îl face ideal pentru acele dispozitive cu filme subțiri care devin tot mai importante în electronică.
Cum poți detecta ceva atât de ciudat?
Acum, aici intervine partea în care știința devine cu adevărat cool (și prin „cool” mă refer la „necesită echipamente care costă mai mult decât majoritatea caselor”).
Echipa a folosit o tehnică numită spectroscopie de fotoemisie rezolută în unghi, sau ARPES pe scurt. Este, în esență, o metodă de a măsura energia și mișcarea electronilor prin reflectarea luminii asupra lor și analizarea a ceea ce revine. Gândește-te ca la un sonar, dar pentru electroni.
Măsurările inițiale au arătat ceva intrigant: existau o separare distinctă în benzile electronice ale materialului. Dar pentru a confirma cu adevărat că priveau altermagnetismul, au trebuit să sape mai adânc — literalmente în proprietățile de spin ale acelor electroni.
Au folosit ARPES rezolut în spin, care este ca versiunea obișnuită, dar cu superputeri care îți permit să măsori cum se învârt electronii. Și iată: stările electronice separate aveau polarizări de spin opuse, ceea ce este exact ceea ce te aștepți de la altermagnetism.
Partea complicată? Tehnicile de fotoemisie sunt incredibil de sensibile la condițiile de suprafață. Chiar și cea mai mică urmă de contaminare ar putea ascunde semnalele pe care le căutau. Astfel, colaboratorii au trebuit să producă probe de o calitate extrem de înaltă, iar echipa lui Neupane a trebuit să verifice meticulos fiecare probă pentru a se asigura că suprafețele sunt curate înainte de a le studia.
Ce înseamnă acest lucru pentru viitoarele tale gadgeturi?
Aici devin puțin eu entuziasmată de posibilități.
Neupane sugerează că materialele altermagnetice precum Co₁/₄TaSe₂ ar putea fi folosite în cele din urmă în spintronică (electronică care folosește spinul electronului), dispozitive de memorie ultra-rapide, rețele terahertz și electronică eficientă energetic. Aceasta este o listă destul de lungă de tehnologii viitoare.
Imaginează-ți computere care nu se supraîncălzesc pentru că nu risipesc atâta energie. Imaginează-ți dispozitive de memorie care pot comuta între stări aproape instantaneu. Imaginează-ți electronică care poate funcționa folosind principii pe care abia începem să le înțelegem.
O să revoluționeze smartphone-ul tău anul viitor? Probabil nu. Dar știința funcționează adesea prin pași mici care, în final, se transformă în pași uriași. Iar descoperirea că altermagnetismul este real — că îl putem observa și măsura în materiale reale — este cu siguranță unul dintre acei pași mici.
Viitorul informaticicii s-ar putea să fie pur și simplu magnetic în moduri pe care nu le-am anticipat niciodată. Și, sincer? Abia aștept să văd în ce direcție ne duce asta.
Sursă: ScienceDaily — A new kind of magnetism could unlock faster, more efficient computers