Vent, det fins mer enn én type magnet?
Noe rart: når de fleste tenker på magneter, ser de for seg den lille kjøleskapsmagneten som holder fast handlelisten. Men forskerne har oppdaget at magnetisme er langt mer komplisert – og langt mer fascinerende – enn som så.
Lenge trodde forskerne det bare fantes to hovedtyper. Ferromagneter er den vanlige typen. Her peker alle de bitte små magnetiske partiklene – elektroners spinn – i samme retning. Det er derfor de har en gjenkjennelig nord- og sørpol, og det tilfredsstillende "klikket" når du fester to magneter sammen.
Så har vi antiferromagneter – de stillegående天才ene i den magnetiske verden. I disse materialene peker elektronenes spinn i motsatte retninger, slik at de magnetiske effektene utligner hverandre. Du kan ikke feste en antiferromagnet til kjøleskapet fordi de utad virker helt umagnetiske. Men innvendig? Det er som en liten borgerkrig der alt balanserer perfekt.
Begge typene har sine bruksområder, men også sine begrensninger. Ferromagneter er enkle å kontrollere – perfekte for å lagre informasjon – men de er trege og krever mye energi. Antiferromagneter kan bytte tilstand lynraskt, noe som er flott for databehandling, men de er vrient å jobbe med fordi de magnetiske egenskapene er skjult.
Så hva om jeg sier at det finnes et tredje alternativ som kombinerer det beste fra begge verdener?
Møt altermagneten
Her blir det virkelig interessant.
I 2019 studerte fysikere ved Johannes Gutenberg Universität Mainz et materiale som heter rutheniumdioksid. Noe rart skjedde. Basert på beregningene deres skulle materialet oppføre seg som en antiferromagnet – ingen merkbar magnetisering, spinn som utligner hverandre. Men da de sendte elektrisk strøm gjennom det, begynte det plutselig å oppføre seg mer som en ferromagnet.
Den uventede oppførselen lot seg ikke forklare av verken den ene eller andre kategorien. Så de gjorde det alle gode forskere ville gjort: de oppfunnet en ny kategori.
De kalte den altermagnetisme.
Det geniale er dette: altermagneter har antiferromagnetenes "skjulte" egenskap – den samlede magnetiske effekten utligner seg. Men måten atomene er arrangert på inni får elektronene til å oppføre seg som om de var i en ferromagnet. Beste av begge verdener, med ærlig talt spennende muligheter.
"Disse materialene kan revolusjonere måten vi transporterer informasjon på," sier Jamir Marino, fysiker ved University at Buffalo, som har forsket på altermagneter. "De kan gi oss antiferromagnetenes raske byttehastighet, samtidig som de beholder de elektroniske egenskapene som er enkle å kontrollere fra ferromagneter."
Tenk raskere datamaskiner, mer effektiv datalagring, kanskje til og med nye typer sensorer. Ikke verst for noe du ikke engang kan feste til kjøleskapet!
Problemet: Å finne disse materialene er vanskelig
Her er haken: å bekrefte at et materiale faktisk er en altermagnet er komplisert.
Teoretiske studier tyder på at det kan finnes over 200 materialer som kvalifiserer som altermagneter – mer enn dobbelt så mange som vi kjenner til blant ferromagneter. Det er et stort lekegrind for fysikere å utforske. Men akkurat nå krever identifisering av kandidatmaterialer dyre, komplekse eksperimenter som noen ganger kan forstyrre eller til og med skade materialene man prøver å studere.
Det er som å undersøke en skjør sommerfugl med et netting som er litt på fyr. Du lærer kanskje noe, men det finnes sannsynligvis bedre måter.
En Diamant i detgrove
Her tar historien en vending jeg genuint setter pris på.
Marino og teamet hans har foreslått en ny deteksjonsmetode som bruker – du gjettet det – en liten defekt inni en diamant. Nei, dette er ingen metafor. De vil faktisk bruke imperfeksjonene.
Inni enkelte diamanter fins det mikroskopiske defekter der et nitrogenatom sitter ved siden av et manglende karbonatom. Disse små feilene høres kanskje ut som problemer, men de er utrolig nyttige: de er ekstremt følsomme for magnetisk aktivitet i nærheten.
Forslaget går slik: ta den antatte altermagneten og plasser den nær en diamant med en slik defekt. Deretter roter du defektens magnetiske spinn i ulike retninger og måler hvor raskt den slapper av igjen.
Hvis relaxasjonen skjer raskere i visse retninger enn andre, kan denne asymmetrien avsløre de komplekse spinnarrangementene som gjør altermagneter spesielle.
"Det virkelig fine med denne teknikken er at den er mye mindre forstyrrende enn konvensjonelle metoder," forklarer Marino. "Du vil ikke at målingen din skal forstyrre materialet du studerer."
Hvorfor bør du bry deg?
Jeg vet hva du tenker: "Flott historie, men hvorfor angår dette meg?"
Her er hvorfor: vi nærmer oss grensene for hva dagens elektronikk kan utrette. Datamaskinene våre blir raskere, ja, men de blir også mer energikrevende og genererer mer varme. Hvis vi vil ha neste generasjons ultraeffektive enheter – tenk kvantedatamaskiner, avansert AI-maskinvare, hjerneaktig databehandling – trenger vi kanskje materialer som kan bytte tilstand raskere og bruke mindre strøm enn alt vi har i dag.
Altermagneter kan være en del av løsningen.
Og diamantsensor-teknikken? Det er verktøyet som kan hjelpe oss å finne dem raskere. Det er som å gi forskerne en bedre metallsøker for en strand full av nedgravd skatt – bortsett fra at skatten er materialer som kanskje kan drive morgendagens gadgets.
"Altermagneter kan revolusjonere måten vi transporterer informasjon på," sa Marino til meg. "For å bekrefte om denne elegante teorien stemmer, trenger vi eksperimenter som identifiserer altermagneter og bekrefter at de oppfører seg slik forskerne forutsier."
Forskningen er ennå i tidlige stadier, men jeg finner meg selv genuint spent på hvor dette kan føre. Noen ganger kommer de mest transformerte teknologiene fra oppdagelser vi nesten gikk glipp av – oppførsel som ikke passet inn i eksisterende bokser, materialer ingen trodde de burde undersøke nærmere, små diamantsprekker som viser seg å være perfekte sensorer.
Den neste store magneten kanskje gjemmer seg rett foran øynene våre, og venter på en smart forsker med en diamant og en frisk idé for å finne den.