A mágnesok nagyszerűek, de bosszantóak is
Oké, beszéljünk egy kicsit a mágnesekről. Valószínűleg ismerik az alapokat – például ameghy azonos pólusok taszítják egymást, az ellétes pólusok pedig vonzzák; a hűtődolapod pedig tele van aranyos figurákkal, mert a cégek rájöttek, hogy ez egy remek módja a mágnesek eladásának. Nagyon okos dolgok.
De itt van a csapda: a sima mágneseknek (a technikai kifejezés: ferromágneseknek) van egy kis „személyiségbeli problémájuk”. Olyan mezőket hoznak létre, amiket a tudósok „szabad mágneses mezőknek” neveznek – alapvetően folyamatosan sugározzák a mágneses rezgéseiket a környező területre, ami összezavarhatja a közeli elektronikus alkatrészeket.
Most, ez nem okoz nagy problémát, amikor egy mágneset a hűtőre ragadsz. De itt jön a trükk: az elektronikus eszközeink egyre kisebbek és kisebbek lesznek. A okostelefonodban már több számítási kapacitás van, mint a holdra küldő számítógépekben. És ahogy egyre több és több alkatrészt pakolunk egyre kisebb helyekre, azok a szabad mágneses mezők valódi fejfájássá válnak.
Ezért a tudósok egy másik anyagcsoportot, az antiferomágneseket kutatják. Ezek olyanok, mint a mágnesvilág zen-mesterei: belső mágneses momentumaik ellentétes irányba mutatnak, így lényegképpen kioltják egymást. Nincs szabad mező, nincs dráma. A probléma? Az antiferomágnesek valahogy... unalmasak. Hiányzik belőlük azok az hasznos elektronikus tulajdonságok, amelyek a ferromágneseket annyira vonzóvá teszik a technológiaépítéshez.
Megérkezett az altermagnétizmus: a két világ legjobbja
Itt válik izgalossá a dolog. A Central Floridai Egyetem kutatócsapata, Madhab Neupane fizikus vezetésével, egy újonnan felismert mágneses formát, az altermagnétizmust tanulmányozta. A nemrég publikált kutatásuk szerint ez az anyag pontosan az a varázslatos közéktér lehet, amire vártunk.
Gondold az altermagnétizmust úgy, mint egy átgondolt introvertot, aki valahogy mégis a buli sztárává vált. Ezek az anyagok képesek működni anélkül, hogy azok a bosszantó szabad mágneses mezők kialakulnának (köszönjük, antiferomagnétizmus!). Ugyanakkor képesek generálni és érzékelni valami olyat, amit szpináramnak neveznek – ez alapvetően az elektron szpinjeinek a anyagokon keresztüli áramlása.
Miért fontos ez? Nos, a jelenlegi számítógépeink teljesen az elektromos töltés mozgására támaszkodnak az információ feldolgozásához. De az elektronoknak van egy másik alapvető tulajdonságuk is, amit „szpinnek” neveznek (nem szó szerint forognak, de az egy teljesen másik beszélgetés), és ennek a felhasználása teljesen új módszereket nyithna az adatok kezelésére.
A tökéletes anyag
A kutatók altermagnétizmust találtak egy Co₁/₄TaSe₂ nevű anyagban, ami olyan név, amit két ital után már nehéz kiejteni. Ez egy réteges anyag, amely tartalmaz mágneses kobaltatomokat, és évtizedekig egyszerűen csak ott volt, várva, hogy valaki közelebb nézzen.
Azt teszi különlegessé ezt az anyagot, hogy az szerkezete. A rétegek csak gyengén kapcsolódnak össze, ami azt jelenti, hogy a kutatók lebonthatják őket, és újra összeilleszthetik nagyon vékony struktúrákká. Ez olyan, mintha hihetetlenül vékony, rugalmas lapokból építenél, amelyeket bármilyen módon elrendezhetsz. Ez ideálissá teszi azokat a thin-film (vékonyrétegű) eszközöket, amelyek egyre fontosabbak a vízteknikában.
Hogyan érzékelünk ilyen különös dolgot?
Most jön a rész, ahol a tudomány igazán lenyűgözővé válik (és a lenyűgöző alatt azt értem, hogy olyan felszerelést igényel, amely többe kerül, mint a legtöbb ház).
A csapat az úgynevezett açıfüggő fotóemissziós spektroszkópia (vagy röviden ARPES) nevű technikát alkalmazta. Ez alapvetően egy olyan módszer, amivel az elektronok energiáját és mozgását mérik úgy, hogy fényt irányítanak róluk, és elemzik, ami visszatér. Gondold úgy, mint egy sónart, de elektronoknak.
Az első mérések izgalmas dolgot mutattak: egy egyértelmű kettőspontosodás jelentkezett az anyag elektronikus sávjaiban. De ahhoz, hogy valóban megerősítsék, hogy az altermagnétizmussal van dolguk, mélyebbre kellett ásniuk – szó szerint az elektronok szpin-tulajdonságaiába.
A szpin-feloldott ARPES-t használták, ami olyan, mint a sima változat, de szupererővel rendelkezik, amivel megmérhető, hogyan szpinelnek az elektronok. És ott volt: a különvált elektronikus állapotok ellentétes szpin-polarizációval rendelkeztek, ami pontosan az, amire az altermagnétizmustól várható.
A nehézkedő rész? A fotóemissziós technikák rendkívül érzékenyek a felületi körülményekre. Még a legkisebb szennyeződés is elrejtheti a keresett jeleket. Ezért a συνεργősöknek rendkívül magas minőségű mintákat kellett előállítaniuk, Neupane csapatának pedig apró részletekig ellenőriznie kellett az egyes minták tisztaságát a vizsgálat előtt.
Mit jelent ez a jövő eszközeinek számára?
Ebben a résznél már kicsit izgulok a lehetőségektől.
Neupane szerint az olyan altermagnétikus anyagok, mint a Co₁/₄TaSe₂, később felhasználhatók a szpintronikában (az elektron szpinjét kihasználó elektronikában), a szupergyors memóriatervezőkben, a terahertz hálózatokban és az energiatakarékos elektronikában. Ez elég hosszú vásárlólista a jövő technológiáihoz.
Képzeld el az olyan számítógépeket, amelyek nem izegnek túl, mert nem pazarolnak annyi energiát. Képzeld el az olyan memóriatervezőket, amelyek szinte azonnal váltanak a különböző állapotok között. Képzeld el az olyan elektronikát, amely olyan elveken működik, amelyeket még csak most kezdünk megérteni.
Ez jövőre megforrojtja a okostelefonodat? Valószínűleg nem. De a tudomány gyakran kis lépésekben halad, amelyek végül hatalmas ugrásokká válnak. És az a felfedezés, hogy az altermagnétizmus valódi – hogy megfigyelhetjük és megmérhetjük a valódi anyagokban – határozottan az a „kis lépés”.
A számítástechnika jövője talán olyan mágneses módon alakul ki, amire sosem számítottunk. És őszintén? Alig várom, hogy lássam, hová vezet ez.
Forrás: ScienceDaily — A new kind of magnetism could unlock faster, more efficient computers