Vänta, finns det mer än en sorts magnet?
Okej, här kommer något fascinerande: när de flesta tänker på magneter ser de framför sig den lilla kylskåpsmagneten som håller fast inköpslistan. Men forskare har upptäckt att magnetism är betydligt mer komplicerat – och fascinerande – än så.
Länge kände forskarna bara till två huvudtyper av magneter. Dels ferromagneter (den vanliga sorten), där alla små magnetiska partiklar, så kallade elektronspinn, pekar åt samma håll. Det är det som ger dem deras karakteristiska nord- och sydpol och det där tillfredsställande "klickandet" när man fäster två magneter vid varandra.
Sen har vi antiferromagneter – de tysta arbetsivrarna i den magnetiska världen. I dessa material pekar elektronernas spinn åt motsatta håll i grannatomerna, vilket gör att deras magnetiska effekter tar ut varandra. Man kan inte fästa en antiferromagnet på kylskåpet för att den ser ut helt omagnetisk utifrån. Men inuti? Det är som en liten inbördeskrig där allt balanserar perfekt.
Båda typerna är användbara, men de har sina begränsningar. Ferromagneter är lätta att kontrollera och manipulera – perfekta för informationslagring – men de är ganska långsamma och energikrävande. Antiferromagneter kan byta tillstånd otroligt snabbt, vilket är bra för datorteknik, men de är notorisk svåra att arbeta med eftersom deras magnetiska egenskaper är, ja, dolda.
Så vad om jag sa att det kanske finns ett tredje alternativ som kombinerar det bästa från båda världar?
Hälsa på altermagneten
Här blir det riktigt intressant.
År 2019 studerade fysiker vid Johannes Gutenberg University Mainz ett material som kallas ruteniumdioxid, och något konstigt hände. Enligt deras beräkningar borde materialet ha betett sig som en antiferromagnet – ingen total magnetisering, spinnen tar ut varandra. Men när de skickade en elektrisk ström genom det började det plötsligt bete sig mer som en ferromagnet.
Det oväntade beteendet kunde inte förklaras av någon av de befintliga kategorierna. Så de gjorde vad duktiga forskare gör: de hittade på en ny kategori.
De kallade den altermagnetism.
Det coola är detta: altermagneter har antiferromagneternas "dolda" egenskap – deras totala magnetiska effekter tar ut varandra. Men sättet deras atomer är ordnade på inuti får elektroner att bete sig som om de vore i en ferromagnet. Det är som att ha det bästa från två världar, och de potentiella användningsområdena är ärligt talat ganska spännande.
"Dessa material kan helt revolutionera sättet vi transporterar information på," säger Jamir Marino, fysiker vid University at Buffalo som har studerat altermagneter. "De kan ge oss den snabba tillkoppling som antiferromagneter har, samtidigt som de behåller en del av de elektroniska egenskaper som är lättare att kontrollera i ferromagneter."
Tänk snabbare datorer, effektivare datalagring, kanske till och med helt nya sorters sensorer. Inte illa för något man inte ens kan fästa på kylskåpet!
Problemet: Att hitta de här sakerna är svårt
Här kommer haken: att bekräfta att ett material faktiskt är en altermagnet är knepigt.
Teoretiska studier antyder att det kan finnas över 200 material som kvalificerar sig som altermagneter – mer än dubbelt så många som kända ferromagnetiska material. Det är en enorm lekplats för fysiker att utforska. Men just nu kräver identifiering av kandidatmaterial dyra, komplexa experiment som ibland kan störa eller till och med skada precis de material man försöker studera.
Det är som att försöka undersöka en ömtålig fjäril genom att fånga den i ett nät som är lite eldat. Man kanske lär sig något, men det finns nog bättre sätt.
En diamant i grovmalmen
Här tar storyn en vändning som jag genuint tycker är härlig.
Marino och hans team har föreslagit en ny detektionsmetod som använder – och ja, du gissade rätt – en liten defekt inuti en diamant. Nej, det är ingen metafor. De vill faktiskt använda ofullkomligheterna.
Inuti vissa diamanter finns mikroskopiska defekter där en kväveatom sitter bredvid en saknad kolatom. De små defekterna låter kanske som problem, men de är faktiskt otroligt användbara: de är extremt känsliga för magnetisk aktivitet i närheten.
Det föreslagna experimentet skulle fungera så här: man tar sin misstänkta altermagnet och placerar den nära en diamant med en av dessa defekter. Sen roterar man defektens magnetiska spinn i olika riktningar och mäter hur snabbt den relaxerar tillbaka till normalt.
Om relaxationen sker snabbare i vissa riktningar än andra, kan den asymmetrin avslöja de komplexa spinnarrangemangen som gör altermagneter speciella.
"Det verkligt fina med den här tekniken är att den är mycket mindre störd än konventionella metoder," förklarar Marino. "Man vill inte att ens mätning ska starkt störa materialet man studerar."
Varför borde du bry dig?
Jag vet vad du tänker: "Coole story, men varför spelar det här någon roll för mig?"
Här är varför: vi närmar oss gränserna för vad vår nuvarande elektronik kan åstadkomma. Våra datorer blir snabbare, visst, men de blir också mer energikrävande och genererar mer värme. Om vi vill ha nästa generation av ultraeffektiva enheter – tänk kvantdatorer, avancerad AI-maskinvara, hjärnliknande datorsystem – kan vi behöva material som kan byta tillstånd snabbare och använda mindre ström än något vi har idag.
Altermagneter kan vara en del av den lösningen.
Och diamantungsettertekniken? Det är verktyget som kan hjälpa oss hitta dem snabbare. Det är som att ge forskare en bättre metalldetektor för en strand full av begravd skatt – förutom att skatten är material som kanske kan driva morgondagens prylar.
"Altermagneter kan helt revolutionera sättet vi transporterar information på," berättade Marino för mig. "För att bekräfta om denna eleganta teori stämmer behöver vi experiment som identifierar altermagneter och bekräftar att de beter sig som forskare förutspår."
Forskningen är fortfarande i ett tidigt stadium, men jag kan inte låta bli att vara genuint exalterad över vart det här kan leda. Ibland kommer de mest transformativa teknikerna från upptäckter vi nästan missade – beteenden som inte passade in i befintliga fack, material ingen tänkt undersöka ordentligt, små diamantdefekter som visar sig vara perfekta sensorer.
Den stora nästa magneten kanske döljer sig i fullt dagsljus, och väntar på en smart forskare med en diamant och en ny idé för att hitta den.