Magneetit ovat siistejä, mutta myös ärsyttäviä
Okei, puhutaan hetki magneeteista. Tiedät varmasti perusasiat — kuten sen, että samannimiset navat hylkivät toisiaan, vastakkaiset navat vetävät toisiaan puoleensa, ja jääkaappisi on täynnä söpöjä koristeita, koska yritykset tajusivat, että se on loistava tapa myydä magneetteja. Siistiä juttu.
Mutta tässä on se juttu: tavallisilla magneeteilla (niillä, joita kutsutaan teknisesti ferromagneeteiksi) on hieman asennetta. Ne luovat niin sanottuja "haja-magneettikenttiä" — periaatteessa ne lähettävät jatkuvasti magneettisia värähtelyjä ympäristöönsä, mikä voi häiritä lähistöllä olevia elektronisia komponentteja.
Nyt, se ei ole suuri ongelma, kun kiinnität magneetin jääkaappiin. Mutta tässä kohtaa asiat muuttuvat monimutkaisiksi: elektroniset laitteemme muuttuvat yhä pienemmiksi. Älypuhelimessasi on jo enemmän laskentatehoa kuin tietokoneilla, jotka lähettivät astronautit kuuhun. Ja kun pakkaamme yhä enemmän komponentteja yhä pienempiin tiloihin, näistä haja-magneettikentistä tulee todellinen päänsärky.
Siksi tutkijat ovat tutkineet toisenlaista materiaalia nimeltä antiferromagneetit. Ne ovat kuin magneettimaailman zen-mestareita — niiden sisäiset magneettiset momentit osoittavat vastakkaisiin suuntiin ja kumoavat käytännössä toisensa. Ei haja-kenttiä, ei draamaa. Ongelma? Antiferromagneetit ovat tavallaan... tylsiä. Niistä puuttuu joitakin hyödyllisiä elektronisia ominaisuuksia, jotka tekevät ferromagneeteista niin houkuttelevia teknologian rakentamiseen.
Altermagnetismi: Molempien maailmojen paras yhdistelmä
Tässä kohtaa asiat muuttuvat mielenkiintoisiksi. University of Central Floran tutkijaryhmä, jota johtaa fyysikko Madhab Neupane, on tutkinut uutta, hiljattain tunnistettua magnetismia muotoa nimeltä altermagnetismi. Ja heidän hiljattain julkaistun tutkimuksensa mukaan tämä saattaa olla juuri se maaginen välimuoto, jota olemme etsineet.
Ajattele altermagnetismia kuin harkitsevana introvertina, joka on jostain syystä myös tullut juhlien keskipisteeksi. Nämä materiaalit voivat toimia luomatta noita ärsyttäviä haja-magneettikenttiä (kiitos, antiferromagnetismi!). Mutta samanaikaisesti ne voivat luoda ja havaita jotain, mitä kutsutaan spinnivirraksi — käytännössä elektronien spinnien virtausta materiaalin läpi.
Miksi se on tärkeää? No, nykyiset tietokoneemme luottavat täysin sähköisen varauksen liikkeeseen tiedon käsittelyssä. Mutta elektroneilla on toinenkin perustavanlaatuinen ominaisuus nimeltä "spin" (se ei kirjaimellisesti pyöri, mutta se on kokonaisuusäänä, mutta siitä sitten toiseen keskusteluun), ja sen hyödyntäminen voisi avata täysin uusia tapoja käsitellä dataa.
Täydellinen materiaali
Tutkijat löysivät merkkejä altermagnetismista materiaalista nimeltä Co₁/₄TaSe₂, joka kuulostaa joltain, jonka lausumiseen tarvitset kaksi juomaa. Se on kerroksellinen materiaali, joka sisältää magneettisia kobolttiatomeja, ja se on ollut piilossa silmien edessä odottaen, että joku katsoo sitä tarkemmin.
Se, mikä tekee tästä materiaalista erityisen, on sen rakenne. Kerrokset ovat vain heikosti toisiinsa kytkeytyneitä, mikä tarkoittaa, että tutkijat voaavat kuoria ne irti ja yhdistää ne erittäin ohuiksi rakenteiksi. Se on kuin rakentaisi uskomattoman ohuista, joustavista levyistä, joita voi järjestellä miten haluaa. Tämä tekee siitä ihanteellisen niille ohutkalvotekniikan laitteille, joiden merkitys elektroniikassa kasvaa jatkuvasti.
Miten näin outaa asia edes havaitaan?
Nyt tulee se kohta, missä tiede muuttuu todella siistiksi (ja siistillä tarkoitan sitä, että "tarvitaan laitteisto, joka maksaa enemmän kuin useimmat talot").
Tiimi käytti tekniikkaa nimeltä kulmanerotettu fotoniemissiospektroskopia, eli lyhyemmin ARPES. Se on periaatteessa tapa mitata elektronien energiaa ja liikettä heijastamalla valoa niihin ja analysoimalla takaisin tulevan signaalin. Ajattele sitä sonarin tavoin, mutta elektroneille.
Alkuperäiset mittaukset osoittivat jotain kiehtovaa: materiaalin elektronisissa kaavioissa oli selkeä jakautuminen. Mutta vahvistaakseen todella, että he olivat näkemässä altermagnetismia, heidän piti kaivaa syvemmälle — kirjaimellisesti noiden elektronien spiniominaisuuksiin.
He käyttivät spini-erotettua ARPES-tekniikkaa, joka on kuin tavallinen versio, mutta supervoimilla, joiden avulla voit mitata, miten elektronit pyörivät. Ja siinä se oli: erilliset elektronitilat olivat vastakkaisilla spini-polarisaatioilla, mikä on juuri sitä, mitä altermagnetismilta voi odottaa.
Vaikea osuus? Fotoniemissiotekniikat ovat uskomattoman herkkiä pintatiloille. Jopa pienin määrä epäpuhtauksia voisi piilottaa etsityt signaalit. Siksi yhteistyökumppaneiden piti tuottaa äärimmäisen korkealaatuisia näytteitä, ja Neupanen tiimin piti tarkistaa jokainen niistä huolellisesti puhtaaksi ennen tutkimista.
Mitä tämä tarkoittaa tulevaisuuden laitteillesi?
Tässä kohtaa minä ala hieman innostua mahdollisuuksista.
Neupane vihjaa, että altermagneettisia materiaaleja, kuten Co₁/₄TaSe₂, voitaisiin lopulta käyttää spintroniikassa (elektronin spiniä hyödyntävässä elektroniikassa), ultra-nopeissa muistilaitteissa, terahertsiverkoissa ja energiatehokkaassa elektroniikassa. Se on aika pitkä ostoslista tulevaisuuden teknologiaa.
Kuvittele tietokoneita, jotka eivät ylikuumene, koska ne eivät tuhlaa niin paljon energiaa. Kuvittele muistilaitteita, jotka voivat vaihtaa tilaa lähes välittömästi. Kuvittele elektroniikkaa, joka voi toimia periaatteilla, joita olemme vasta ymmärtämässä.
Tuleeko tämä mullistamaan älypuhelimesi ensi vuonna? Todennäköisesti ei. Mutta tiede etenee usein pienin askelin, jotka lopulta kumuloituvat jättiläismäisiksi harppauksiksi. Ja löytö siitä, että altermagnetismi on todellista — että voimme havaita ja mitata sitä todellisissa materiaaleissa — on ehdollisesti yksi niistä pienistä askeleista.
Tietokoneiden tulevaisuus saattaa olla magneettinen tavalla, jota emme ole koskaan odottaneet. Ja rehellisesti sanottuna? En malta odottaa, mitä tämä johtaa.
Lähde: ScienceDaily — A new kind of magnetism could unlock faster, more efficient computers