Magneter er kule, men de er også irriterende
Greit, la oss snakke om magneter et øyeblikk. Du kjenner sikkert til det grunnleggende – som at like poler frastøter hverandre, motsatte poler tiltrekker hverandre, og at kjøleskapet ditt er dekket av søte figurer fordi selskaper har funnet ut at det er en genial måte å selge magneter på. Kult nok.
Men her er greia: vanlige magneter (den typen som kalles ferromagneter, hvis du vil være teknisk) har litt holdningsproblemer. De skaper det forskere kaller "stray magnetic fields" (lekkende magnetfelt) – i bunn og grunn sender de konstant ut sine magnetiske vibrasjoner i området rundt, noe som kan forstyrre nærliggende elektroniske komponenter.
Nå er ikke det en stor sak når du fester en magnet på et kjøleskap. Men det er her det blir vrient: de elektroniske enhetene våre blir stadig mindre. Smarttelefonen din har allerede mer datakraft enn datamaskinene som sendte astronauter til månen. Og etter hvert som vi pakker flere og flere komponenter inn i stadig mindre rom, blir disse lekkende magnetfeltene en skikkelig hodepine.
Derfor har forskere utforsket en annen type materiale kalt antiferromagneter. Disse er som zen-mestrene i magnetverdenen – de interne magnetiske momentene deres peker i motsatte retninger og utligner i praksis hverandre. Ingen lekkende felt, ingen drama. Problemet? Antiferromagneter er litt... kjedelige. De mangler noen av de nyttige elektroniske egenskapene som gjør ferromagneter så attraktive for teknologiutvikling.
Altermagnetisme: Det beste fra to verdener
Det er her det blir spennende. Et forskerteam ved University of Central Florida, ledet av fysikeren Madhab Neupane, har studert en nylig anerkjent form for magnetisme kalt altermagnetisme. Og ifølge forskningen deres, som nylig ble publisert, kan dette være den magiske mellomløsningen vi har lett etter.
Tenk på altermagnetisme som den ettertenksomme introverten som på en eller annen måte også har blitt festens midtpunkt. Disse materialene kan operere uten å skape de plagsomme lekkende magnetfeltene (takk, antiferromagnetisme!). Men samtidig kan de generere og detektere noe som kalles spinnstrømmer – i bunn og grunn strømmen av elektronspinn gjennom et materiale.
Hvorfor betyr det noe? Vel, dagens datamaskiner er helt avhengige av bevegelsen til elektrisk ladning for å behandle informasjon. Men elektroner har en annen fundamental egenskap kalt "spinn" (det er ikke bokstavelig talt en rotasjon, men det er en helt annen samtale), og å bruke dette kan åpne opp helt nye måter å håndtere data på.
Det perfekte materialet
Forskerne fant bevis på altermagnetisme i et materiale kalt Co₁/₄TaSe₂, som høres ut som noe du ville slitt med å uttale etter to drinker. Det er et lagdelt materiale som inneholder magnetiske koboltatomer, og det har ligget skjult rett foran oss og ventet på at noen skulle se nærmere på det.
Det som gjør dette materialet spesielt, er strukturen. Lagene er bare svakt sammenkoblet, noe som betyr at forskere kan skille dem fra hverandre og sette dem sammen igjen til svært tynne strukturer. Det er som å bygge med utrolig tynne, fleksible ark som du kan arrangere akkurat hvordan du vil. Dette gjør det ideelt for de tynne film-enhetene som blir stadig viktigere i elektronikken.
Hvordan detekterer man i det hele tatt noe så rart?
Nå kommer den delen hvor vitenskapen blir virkelig kul (og med kul mener jeg "krever utstyr som koster mer enn de fleste hus").
Teamet brukte en teknikk kalt vinkeloppløst fotoemisjonsspektroskopi, eller ARPES for kort. Det er i bunn og grunn en måte å måle energien og bevegelsen til elektroner på ved å reflektere lys mot dem og analysere det som kommer tilbake. Tenk på det som sonar, men for elektroner.
De innledende målingene viste noe interessant: det var en tydelig splitting i materialets elektroniske bånd. Men for å virkelig bekrefte at de så på altermagnetisme, måtte de grave dypere – bokstavelig talt inn i spinnegenskapene til disse elektronene.
De brukte spinn-oppløst ARPES, som er som den vanlige versjonen, men med superkrefter som lar deg måle hvordan elektronene spinner. Og der var det: de separerte elektroniske tilstandene hadde motsatte spinn-polariseringer, noe som er nøyaktig det man forventer av altermagnetisme.
Den vanskelige delen? Fotoemisjonsteknikker er utrolig følsomme for overflateforhold. Selv den minste mengde forurensning kunne skjule signalene de lette etter. Derfor måtte samarbeidspartnerne produsere ekstremt høykvalitets prøver, og Neupanes team måtte sjekke hver eneste en grundig for rene overflater før de studerte dem.
Hva betyr dette for dine fremtidige dingser?
Det er her jeg blir litt gira over mulighetene.
Neupane antyder at altermagnetiske materialer som Co₁/₄TaSe₂ på sikt kan brukes i spintronikk (elektronikk som utnytter elektronspinn), ultrahurtige minneenheter, terahertz-nettverk og energieffektiv elektronikk. Det er en ganske lang ønskeliste for fremtidens teknologi.
Se for deg datamaskiner som ikke blir overopphetet fordi de ikke kaster bort så mye energi. Se for deg minneenheter som kan skifte mellom tilstander nesten øyeblikkelig. Se for deg elektronikk som kan operere ved hjelp av prinsipper vi bare begynner å forstå.
Kommer dette til å revolusjonere smarttelefonen din neste år? Sannsynligvis ikke. Men vitenskapen fungerer ofte i små skritt som til slutt summerer seg opp til gigantiske sprang. Og oppdagelsen av at altermagnetisme er ekte – at vi kan observere og måle det i virkelige materialer – er definitivt et av disse små skrittene.
Fremtidens databehandling kan vise seg å være magnetisk på måter vi aldri hadde forventet. Og ærlig talt? Jeg gleder meg til å se hvor dette fører hen.
Kilde: ScienceDaily — A new kind of magnetism could unlock faster, more efficient computers