Tiesitkö? Jotkut materiaalit muuttuvat magneettisiksi vain, kun ne on venytetty äärimmäisen ohuiksi

Hei, pitää kertoa jotain, mikä kuulostaa täysin uskomattomalta mutta on oikeaa tiedettä. Olen nimittäin oikeasti hämmästynyt.

Kuvittele seuraava tilanne: sinulla on materiaali nimeltä ruteniumdioksidi. Sen tavallisessa muodossa se on yhtä magneettinen kuin muovikappale. Ei mitään erikoista. Tylsää.

Mutta sitten tapahtuu jotain outoa.

Kun tutkijat venyttävät saman materiaalin superohueksi — muutaman atomikerroksen paksuiseksi — ja painavat sitä hieman kasaan atomitasolla, tapahtuu jotain taianomaista. Se muuttuu magneettiseksi.

Ei pelkästään tavallisen magneettiseksi. Siinä nähdään merkkejä niin sanotusta altermagnetismista, joka on outo kolmas magneettisuuden kategoria, jonka tutkijat ovat vasta hiljattain ottaneet vakavasti.

Mitä altermagnetismi edes on?

Pyrin selittämään tämän niin, ettei tajuntasi räjähdä.

Sinä luultavasti tiedät, että magneetit toimivat elektroniinien spinien ansiosta. Ajattele jokaista elektronia pienenä saippuakuplana, joka pyörii. Tavallisissa ferromagneeteissa (niissä jääkaapin magneeteissa) kaikki nämä pienet pyörivät kuplat osoittavat samaan suuntaan. Siitä syntyy magneettikenttä.

Altermagnetismi on... erilaista. Spinit eivät kaikki osoita samaan suuntaan. Sen sijaan ne vuorottelevat — vähän kuin shakkilaudalla, jossa ylös- ja alaspäin osoittavat spin vuorottelevat. Tämä antaa niille ainutlaatuisia ominaisuuksia, jotka voisivat olla äärimmäisen hyödyllisiä teknologialle. Mutta pitkään kukaan ei ollut edes varma, onko altermagnetismi oikeasti olemassa.

Nyt ruteniumdioksidi on astunut kuvaan mahdollisena altermagneettisena materiaalina. Ongelmana? Se osoittaa tätä käyttäytymistä vain silloin, kun se on äärimmäisen pieni ja jännityksen alainen.

"Heureka-hetki" (joka kesti vuosia)

Tutkimusryhmä, jota johti Rice-yliopiston fyysikko Ming Yi, joutui keksimään äärimmäisen luovia ratkaisuja saadakseen tämän toimimaan.

Ensinnäkin heidän piti kasvattaa ruteniumdioksidia ultranoireaksi kalvoksi — muutaman atomin paksuiseksi. Se on vaikeampaa kuin miltä se kuulostaa. Sitten heidän piti mitata sen "spin-rakenne" — käytännössä kartoittaa, miten kaikki nuo elektroniinien spinit ovat järjestäytyneet avaruudessa.

He käyttivät tekniikkaa nimeltä spin-resolved angle-resolved photoemission spectroscopy, joka kuulostaa suoraan Star Trekistä. Mutta tässä on keskeinen löydös: kun materiaali oli tarpeeksi ohut JA oikeanlaisen atomitason jännityksen alainen, elektroniinien spinit osoittivat altermagnetismin kanssa yhtenäisiä kaavoja.

Ilman jännitystä? Ei onnistu. Vain tavallinen vanha ei-magneettinen materiaali.

Miksi sinun pitäisi välittää?

Tässä kohtaa asia alkaa olla jännittävä arkipäivän teknologian kannalta.

Tutkijat huomasivat, että jännitys toimii ikään kuin "viritysnuppina" altermagnetismille. Painat atomirakennetta, ja voit aiheuttaa tai hallita tätä magneettista käyttäytymistä. Päästät irti paineesta, ja materiaali palaa takaisin tylsäksi ja ei-magneettiseksi.

Tämä voisi olla valtava juttu jotain nimeltä spintroniikka.

Tällä hetkellä tietokoneesi käyttää sähkövarausta tiedon tallentamiseen ja käsittelyyn. Spintroniikka haluaa käyttää myös elektroniinien spinia. Miksi se on tärkeää? Koska spin-pohjainen muisti voisi olla nopeampi, energiatehokkaampi ja kompaktimpi kuin nykyiset ratkaisut.

Kuvittele tietokoneen muistia, joka ei ole vain pienempi, vaan myös säilyttää tiedon silloinkin, kun virta katkaistaan, hakee tietoa salamannopeasti ja käyttää vähemmän energiaa. Se on unelma, ainakin toistaiseksi.

Tämä ei ole temppu — kyse on oikeasta tieteestä

Rakastan tätä tarinaa, koska se korostaa jotain tärkeää kvanttimateriaaleista: ne ovat monimutkaisia, arvaamattomia ja käyttäytyvät usein täysin eri tavalla kuin odottaisimme.

Ruteniumdioksidi on oikeastaan ollut tieteellisen keskustelun keskiössä vuosia. Fyysikot väittelivät edestakaisin siitä, oliko se magneettinen tavallisessa muodossaan. Lopulta kaikki olivat yhtä mieltä: ei, ei magneettinen.

Mutta tämä uusi tutkimus viittaa siihen, että oletuksemme materiaaleista voivat olla pohjimmiltaan vääriä, kun muutamme niiden mittoja tai rasitamme niiden rakenteita.

Kuten Yi asian muotoili: "Tämä työ osoittaa, kuinka monimutkaisia nämä kysymykset voivat olla."

Kaiken ydin

Olemme luultavasti vielä vuosien päässä siitä, että näemme altermagneettista muistia oikeissa laitteissa. Mutta tämä löydös on todellinen askel eteenpäin ymmärryksessämme siitä, miten voisimme suunnitella uusia kvanttimateriaaleja haluamillamme ominaisuuksilla.

Se, että voimme nyt "kytkeä päälle" magneettinen käyttäytyminen venyttämällä materiaalia ohueksi ja painamalla sitä? Se on sellaista outoa, siistiä tiedettä, joka saa minut uskomaan tulevaisuuteen.

Tuleva kannettavasi saattaa kiittää materiaaleista, jotka toimivat vain silloin, kun ne ovat käytännössä kourallinen atomeja paksuja ja hieman rasittuneita. Kuinka hurjaa se onkaan?