Hetkinen, onko olemassa useita magneettityyppejä?

Tiedätkö, kun ajattelet magneetteja, mielessäsi on usein se pieni jääkaappimagneetti, joka pitää kauppalistan paikallaan? No, fyysikot ovat keksineet, että magnetismi on paljon monimutkaisempaa – ja kiinnostavampaa – kuin tuo.

Pitkään tutkijat tunsivat vain kaksi päätyyppiä. Ferromagneetit ovat arkipäivän magneetteja, joissa kaikki pienet magneettiset hiukkaset eli elektronien spin pyörivät samaan suuntaan. Siksi niillä on tuttu pohjois-etelänapaisuus ja miksei se tyydyttävä naksahdus, kun kaksi magneettia yhdistyy.

Sitten on olemassa antiferromagneetit – magnetismin hiljaiset työntekijät. Näissä materiaaleissa vierekkäiset elektronien spinit osoittavat vastakkaisiin suuntiin, joten niiden magneettiset vaikutukset kumoavat toisensa. Et voi kiinnittää antiferromagneettia jääkaappiin, koska ulospäin ne näyttävät täysin magneettittomilta. Mutta sisällä? Siellä käydään pientä sisällissotaa, jossa kaikki on täydellisessä tasapainossa.

Molemmat tyypit ovat hyödyllisiä, mutta niillä on omat rajoitteensa. Ferromagneetteja on helppo hallita – täydellisiä tiedon tallennukseen – mutta ne ovat hitaita ja kuluttavat paljon energiaa. Antiferromagneetit voivat vaihtaa tilaansa uskomattoman nopeasti, mikä sopii loistavasti laskentaan, mutta niiden kanssa on pirullisen vaikea työskennellä, koska niiden magneettiset ominaisuudet ovat piilossa.

Entä jos kertoisin, että voisi olla olemassa kolmas vaihtoehto, jossa yhdistyy parhaat puolet molemmista?

Tutustu altermagneettiin

Täällä homma menee todella jännittäväksi.

Vuonna 2019 Johannes Gutenberg -yliopiston Mainzin tutkijat tutkivat rutheniumdioksidia, ja jotain outoa tapahtui. Laskelmien perusteella materiaalin olisi pitänyt käyttäytyä antiferromagneettina – ei kokonaismagneettisuutta, spinit kumoavat toisensa. Mutta kun he sokaisivat siihen sähkövirtaa, se alkoi käyttäytyä yhtäkkiä ferromagneetin lailla.

Tätä odottamatonta käyttäytymistä ei voitu selittää kummallakaan olemassa olevalla kategorialla. Joten he tekivät sen, mitä hyvät tutkijat tekevät: keksivät uuden kategorian.

He kutsuivat sitä altermagneetiksi.

Parasta tässä on se, että altermagneeteilla on antiferromagneettien "piilossa" oleva laatu – niiden kokonaismagneettiset vaikutukset kumoavat toisensa. Mutta niiden sisäinen atomien järjestys saa elektronit käyttäytymään ikään kuin ne olisivat ferromagneetissa. Se on kuin parhaat puolet molemmista maailmoista, ja mahdolliset sovellukset ovat reilusti sanottuna melko jännittäviä.

"Nämä materiaalit voivat mullistaa täysin sen, miten kuljetamme tietoa," sanoo Jamir Marino, Buffalon yliopiston fyysikko, joka on tutkinut altermagneetteja. "Ne voivat tarjota antiferromagneettien nopeat kytkentänopeudet samalla kun ne säilyttävät ferromagneeteista saadut helpommin hallittavat elektroniset ominaisuudet."

Ajattele nopeampia tietokoneita, tehokkaampaa datan tallennusta, ehkä jopa uudenlaisia antureita. Ei hullumpaa jollekin, jota et voi edes kiinnittää jääkaappiin!

Ongelma: näiden löytäminen on vaikeaa

Tässä on mutta: vahvistaa, että materiaali on todella altermagneetti, on hankalaa puuhaa.

Teoreettiset tutkimukset viittaavat siihen, että voisi olla yli 200 materiaalia, jotka täyttävät altermagneetin kriteerit – yli kaksinkertainen määrä tunnettuihin ferromagneettisiin materiaaleihin verrattuna. Se on valtava leikkikenttä fyysikoille tutkittavaksi. Tällä hetkellä ehdokasmateriaalien tunnistaminen vaatii kalliita, monimutkaisia kokeita, jotka voivat joskus häiritä tai jopa vahingoittaa juuri sitä materiaalia, jota yrität tutkia.

Se on kuin yrittäisi tutkia herkkää perhosta verkolla, joka on vähän liekeissä. Saatat oppia jotain, mutta on varmasti parempia tapoja.

Timantti karvojen seasta

Täällä tarina saa käänteen, jonka aidosti koen suloiseksi.

Marino ja hänen tiiminsä ovat ehdottaneet uutta tunnistusmenetelmää, joka käyttää – arvasit oikein – pientä vikaa timantin sisällä. Ei, tämä ei ole mikään vertauskuva. He todella haluavat käyttää epätäydellisyyksiä.

Joissakin timanteissa on mikroskooppisia defektejä, joissa typpiatomi sijaitsee puuttuvan hiiliatomin vieressä. Nämä pienet puutteet kuulostavat ongelmilta, mutta ne ovat todella hyödyllisiä: ne ovat äärimmäisen herkkiä lähistöllä tapahtuvalle magneettiselle toiminnalle.

Ehdotettu koe toimisi näin: otat epäillyn altermagneetin ja asetat sen timantin viereen, jossa on yksi näistä defekteistä. Sitten pyörität defektin magneettista spin suuntiin ja mittaat, kuinka nopeasti se palaa normaalitilaan.

Jos rentoutuminen tapahtuu joissakin suunnissa nopeammin kuin toisissa, tämä epäsymmetria voisi paljastaa altermagneetteja erottavat monimutkaiset spin-järjestelyt.

"Tämän tekniikan todella hienossa puolessa on, että se on paljon vähemmän häiritsevä kuin perinteiset menetelmät," Marino selittää. "Et halua, että mittauksesi häiritsee voimakkaasti materiaalia, jota tutkit."

Miksi sinun pitäisi välittää?

Katso, tiedän mitä ajattelet: "Hienoa tarinaa, mutta miksi tämä koskee minua?"

Tässä miksi: lähestymme nykyisten elektroniikkojen rajoja. Tietokoneemme nopeutuvat, kyllä, mutta ne kuluttavat myös enemmän energiaa ja tuottavat enemmän lämpöä. Jos haluamme seuraavan sukupolven ultratehokkaita laitteita – ajattele kvanttitietokoneita, edistynyttä tekoälylaitteistoa, aivomaisia laskentajärjestelmiä – saatamme tarvita materiaaleja, jotka voivat vaihtaa tilojaan nopeammin ja käyttää vähemmän virtaa kuin mikään nykyinen.

Altermagneetit voivat olla osa tätä ratkaisua.

Ja timanttipohjainen tunnistustekniikka? Se on työkalu, joka voi auttaa meitä löytämään ne nopeammin. Se on kuin antaisi tutkijoille paremman metallinpaljastimen rannalle, jossa on haudattuja aarteita – paitsi että aarre on materiaaleja, jotka saattavat käyttää huomisen Gadgetteja.

"Altermagneetit voivat mullistaa täysin sen, miten kuljetamme tietoa," Marino kertoi minulle. "Vahvistaaksemme, onko tämä elegantti teoria tosi, tarvitsemme kokeita, jotka tunnistavat altermagneetit ja vahvistavat, että ne käyttäytyvät niin kuin tutkijat ennustavat."

Tutkimus on vielä alkuvaiheessa, mutta koen olevani aidosti innoissani siitä, mihin tämä voi johtaa. Joskus mullistavimmat teknologiat tulevat löydöksistä, jotka melkein jäivät huomaamatta – käyttäytymistä, joka ei sopinut olemassa oleviin lokeroihin, materiaaleja, joita kukaan ei ajatellut tutkia tarkasti, pieniä timanttivirheitä, jotka osoittautuvat täydellisiksi antureiksi.

Seuraava suuri magneetti saattaa piileskellä näkyvillä, odottamassa taitavaa tutkijaa timantin ja tuoreen idean kera löytämään sen.