Чакай, има повече от един вид магнити?
Добре, ето нещо интересно: когато си представяш магнити, сигурно виждаш онзи малък магнит на хладилника, който държи списъка ти с покупки. Но учените откриват, че магнетизмът е много по-сложен — и много по-вълнуващ — от това.
Дълго време изследователите познаваха само два основни вида магнити. Единият са феромагнетите (обикновените), при които всички малки магнитни частици — електронни спинове — са подредени в една посока. Заради това имат северен и южен полюс и онова приятно "щракване", когато залепиш два магнита.
Другият вид са антиферомагнетите — тихите герои на магнитния свят. При тях съседните електронни спинове сочат в противоположни посоки, затова магнитните им ефекти се неутрализират. Не можеш да залепиш антиферомагнет на хладилника, защото отвън изглеждат напълно немагнитни. Но отвътре? Прилича на малка гражданска война, в която всичко се балансира перфектно.
И двата вида са полезни, но имат своите ограничения. Феромагнетите са лесни за контролиране — идеални за съхранение на информация — но са бавни и консумират много енергия. Антиферомагнетите превключват състоянията си невероятно бързо, което е страхотно за изчисления, но са трудни за работа, защото магнитните им свойства са... скрити.
А какво, ако съществува трета възможност, която съчетава най-доброто от двата свята?
Запознайте се с алтермагнета
Тук става наистина интересно.
През 2019 г. физици от университета в Майнц изследват материал наречен рутениев диоксид и се случва нещо странно. Според техните изчисления материалът е трябвало да се държи като антиферомагнет — без обща намагнитеност, спинове, които се неутрализират. Но когато го подложат на електрически ток, той внезапно започва да се държи като феромагнет.
Това неочаквано поведение не може да се обясни с нито една от съществуващите категории. И те направиха онова, което правят добрите учени: създадоха нова категория.
Я нарекоха алтермагнетизъм.
Ето какво е хубаво: алтермагнетите имат "скритата" характеристика на антиферомагнетите — магнитните им ефекти се неутрализират. Но подредбата на атомите вътре кара електроните да се държат сякаш са във феромагнет. Като да имаш най-доброто от двата свята, а потенциалните приложения са наистина вълнуващи.
"Тези материали могат напълно да променят начина, по който пренасяме информация," казва Джамир Марино, физик от Университета в Бъфало, който изучава алтермагнети. "Може би ще ни дадат бързото превключване на антиферомагнетите, но ще запазят част от електронните свойства, по-лесни за контролиране, каквито имаме при феромагнетите."
Помислете за по-бързи компютри, по-ефективно съхранение на данни, дори нови видове сензори. Не е зле за нещо, което дори не може да залепите за хладилника!
Проблемът: Намирането им е трудно
Ето уловката: да се потвърди, че даден материал е алтермагнет, не е лесна работа.
Теоретичните изследвания показват, че може да съществуват над 200 материала, които се класифицират като алтермагнети — повече от два пъти броя на познатите феромагнитни материали. Това е огромна територия за изследване от физиците. Но в момента идентифицирането на кандидат-материали изисква скъпи и сложни експерименти, които често могат да повредят или дори унищожат изследвания материал.
Прилича на опит да разгледаш крехко пеперудче с мрежа, която е малко подпалена. Може да научиш нещо, но сигурно има по-добри начини.
Диамант в праха
Тук историята взема обрат, който наистина ме радва.
Марино и екипът му предложиха нов метод за откриване, който използва — да, точно така — малък дефект в диамант. Не, не е метафора. Те наистина искат да използват несъвършенствата.
В някои диаманти има микроскопични дефекти, при които атом на азот седи до липсващ атом на въглерод. Тези малки несъвършенства може да звучат като проблеми, но всъщност са невероятно полезни: те са изключително чувствителни към близка магнитна активност.
Предложеният експеримент би проработил така: вземаш предполагаемия алтермагнет и го поставяш до диамант с един от тези дефекти. След това завърташ магнитния спин на дефекта в различни посоки и измерваш колко бързо се връща в нормално състояние.
Ако възстановяването става по-бързо в определени посоки от други, тази асиметрия може да разкрие сложните спинови подредби, които правят алтермагнетите специални.
"Наистина хубавото на тази техника е, че е много по-малко разрушителна от конвенционалните методи," обяснява Марино. "Не искаш измерването ти силно да смущава материала, който изучаваш."
Защо трябва да ти пука?
Знам какво си мислиш: "Яка история, но защо ме засяга?"
Ето защо: наближаваме границите на възможностите на днешната електроника. Компютрите ни стават по-бързи, разбира се, но и консумират повече енергия и отделят повече топлина. Ако искаме следващото поколение ултра-ефективни устройства — мислете за квантови компютри, усъвършенстван хардуер за изкуствен интелект, системи за мозъкоподобни изчисления — може би ни трябват материали, които превключват състоянията си по-бързо и използват по-малко мощност от всичко, което имаме днес.
Алтермагнетите може да са част от това решение.
А техниката за откриване с диаманти? Това е инструментът, който може да ни помогне да ги намираме по-бързо. Сякаш даваме на учените по-добър металдетектор за плаж, пълен с заровено съкровище — само дето съкровището са материали, които може би ще захранват джаджите на утрешния ден.
"Алтермагнетите могат напълно да променят начина, по който пренасяме информация," ми каза Марино. "За да потвърдим дали тази елегантна теория е вярна, ни трябват експерименти, които да идентифицират алтермагнетите и да потвърдят, че се държат така, както учените предсказват."
Изследванията са още в ранни стадии, но искрено се вълнувам накъде може да ни отведат. Понякога най-трансформиращите технологии идват от открития, които почти сме пропуснали — поведение, което не се вписва в съществуващите категории, материали, които никой не е смятал за важни, малки диамантени несъвършенства, които се оказват перфектни сензори.
Следващият голям магнит може би се крие на показ, чакайки само един съобразителен учен с диамант и свежа идея да го открие.