Magneter er seje, men de er også irriterende
Okay, lad os tale om magneter et øjeblik. Du kender sikkert det grundlæggende — som at ens poler frastøder hinanden, modsatte poler tiltrækker hinanden, og at dit køleskab er dækket af søde figurer, fordi virksomhederne har fundet ud af, at det er en fantastisk måde at sælge magneter på. Fedt nok.
Men her er pointen: almindelige magneter (den slags, der kaldes ferromagneter, hvis man vil være teknisk) har lidt et attitudeproblem. De skaber det, forskere kalder "stray magnetic fields" (spredte magnetfelter) — grundlæggende udsender de konstant deres magnetiske vibrationer til det omkringliggende område, hvilket kan forstyrre nærliggende elektroniske komponenter.
Nu er det ikke en stor ting, når du sætter en magnet på et køleskab. Men her bliver det tricky: vores elektroniske enheder bliver mindre og mindre. Din smartphone har allerede mere regnekraft end de computere, der sendte astronauter til månen. Og efterhånden som vi pakker flere og flere komponenter ind på stadig mindre plads, bliver de spredte magnetfelter en reel hovedpine.
Derfor har forskere udforsket en anden type materiale kaldet antiferromagneter. Disse er som zen-mestre i magneternes verden — deres interne magnetiske momenter peger i modsatte retninger og udligner i essensen hinanden. Ingen spredte felter, intet drama. Problemet? Antiferromagneter er lidt... kedelige. De mangler nogle af de nyttige elektroniske egenskaber, som gør ferromagneter så attraktive til at bygge teknologi med.
Altermagnetisme træder til: Det bedste fra begge verdener
Det er her, det bliver spændende. Et forskerteam ved University of Central Florida, ledet af fysikeren Madhab Neupane, har studeret en nyopdaget form for magnetisme kaldet altermagnetisme. Og ifølge deres forskning, der for nylig blev offentliggjort, kan dette materiale være netop den magiske mellemvej, vi har ledt efter.
Forestil dig altermagnetisme som den eftertænksomme introvert, der på en eller anden måde også er blevet festens midtpunkt. Disse materialer kan fungere uden at skabe de irriterende spredte magnetfelter (tak, antiferromagnetisme!). Men samtidig kan de generere og detektere noget, der kaldes spinstrømme — essentielt set strømmen af elektron-spin gennem et materiale.
Hvorfor betyder det noget? Jo, vores nuværende computere er helt afhængige af bevægelsen af elektrisk ladning for at behandle information. Men elektroner har en anden fundamental egenskab kaldet "spin" (det er ikke bogstaveligt talt en rotation, men det er en helt anden samtale), og ved at bruge det kunne man åbne op for helt nye måder at håndtere data på.
Det perfekte materiale
Forskerne fandt beviser for altermagnetisme i et materiale kaldet Co₁/₄TaSe₂, hvilket lyder som noget, man ville kæmpe med at udtale efter to drinks. Det er et lagdelt materiale indeholdende magnetiske cobalt-atomer, og det har ligget skjult i det åbne, mens det har ventet på, at nogen kiggede nærmere på det.
Det, der gør dette materiale særligt specielt, er dets struktur. Lagene er kun svagt forbundet, hvilket betyder, at forskerne kan skille dem ad og samle dem igen i meget tynde strukturer. Det er som at bygge med utroligt tynde, fleksible ark, som du kan arrangere, som du vil. Dette gør det ideelt til de tyndfilms-enheder, som bliver stadig vigtigere i elektronik.
Hvordan detekterer man overhovedet noget så mærkeligt?
Nu bliver videnskaben for alvor sej (og med sej mener jeg "kræver udstyr, der koster mere end de fleste huse").
Teamet brugte en teknik kaldet vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi, eller ARPES for kort. Det er essentielt en måde at måle energien og bevægelsen af elektroner på ved at kaste lys på dem og analysere det, der kommer tilbage. Tænk på det som sonar, men for elektroner.
De indledende målinger viste noget fascinerende: der var en tydelig opsplitning i materialets elektroniske bånd. Men for virkelig at bekræfte, at de kiggede på altermagnetisme, var de nødt til at grave dybere — bogstaveligt talt ind i de elektroner, der har spin-egenskaber.
De brugte spin-opløst ARPES, som er som den almindelige version, men med superkræfter, der gør det muligt at måle, hvordan elektronerne spinner. Og der var det: de adskilte elektroniske tilstande havde modsatte spin-polarisationer, hvilket er præcis, hvad man ville forvente af altermagnetisme.
Den svære del? Fotoemissionsteknikker er utroligt følsomme over for overfladeforhold. Selv den mindste smule forurening kunne skjule de signaler, de ledte efter. Derfor måtte samarbejdspartnerne producere ekstremt høj-kvalitets prøver, og Neupanes team måtte omhyggeligt tjekke hver eneste for rene overflader, før de studerede dem.
Hvad betyder det for dine fremtidige gadgets?
Det er her, jeg bliver lidt begejstret over mulighederne.
Neupane antyder, at altermagnetiske materialer som Co₁/₄TaSe₂ på sigt kunne bruges i spintronik (elektronik, der udnytter elektron-spin), ultrahurtige hukommelsesenheder, terahertz-netværk og energieffektiv elektronik. Det er en ret lang indkøbsliste til fremtidens teknologi.
Forestil dig computere, der ikke overopheder, fordi de ikke spilder så meget energi. Forestil dig hukommelsesenheder, der kan skifte mellem tilstande næsten øjeblikkeligt. Forestil dig elektronik, der kan fungere ved hjælp af principper, vi kun lige er begyndt at forstå.
Vil det revolutionere din smartphone i næste år? Sandsynligvis ikke. Men videnskab arbejder ofte i små skridt, der til sidst bliver til kæmpe spring. Og opdagelsen af, at altermagnetisme er virkelig — at vi kan observere og måle det i virkelige materialer — er helt sikkert et af de små skridt.
Fremtidens databehandling kan blive magnetisk på måder, vi aldrig havde forventet. Og ærligt? Jeg kan ikke vente med at se, hvor det fører hen.
Kilde: ScienceDaily — A new kind of magnetism could unlock faster, more efficient computers