Магнитите са страхотни, но са и досадни
Добре, нека поговорим за магнитите за момент. Вероятно знаете основите — еднаквите полюси се отблъскват, противоположните се привличат, а хладилникът ви е покрит с мили кухи форми, защото компаниите са разбрали, че това е страхотен начин за продажба на магнити. Класни неща.
Но ето в какво е уловката: обикновените магнити (тези, наречени феромагнити, ако искате да бъдем технически прецизни) имат малко „проблем с характера“. Те създават това, което учените наричат „разсеяни магнитни полета“ — накратко, те постоянно излъчват своите магнитни вибрации в околната среда, което може да смути близките електронни компоненти.
Сега, това не е голям проблем, когато залепвате магнит за хладилник. Но ето къде нещата стават сложни: нашите електронни устройства стават все по-малки и по-малки. Вашият смартфон вече има повече изчислителна мощ от компютрите, които изпратиха астронавтите на Луната. И докато набиваме все повече и повече компоненти в все по-тесни пространства, тези разсеяни магнитни полета се превръщат в истинско главоболие.
Затова учените изследват друг тип материал, наречен антиферомагнит. Те са като дзен майсторите на магнитния свят — техните вътрешни магнитни моменти са насочени в противоположни посоки и по същество се неутрализират един друг. Без разсеяни полета, без драма. Проблемът? Антиферомагнитите са малко... скучни. Те нямат някои от полезните електронни свойства, които правят феромагнитите толкова привлекателни за изграждане на технологии.
Появява се алтермагнетизмът: Най-доброто от двата свята
Ето тук нещата стават вълнуващи. Екип от изследователи в Университета на Централна Флорида, ръководен от физика Мадхаб Неупане, изучава ново разпозната форма на магнетизъм, наречена алтермагнетизъм. И според тяхното изследване, публикувано наскоро, това нещо може да бъде точно онази магическа среда, която сме търсили.
Представете си алтермагнетизма като мислещия интроверт, който по някак си е станал и душата на партито. Тези материали могат да функционират, без да създават тези досадни разсеяни магнитни полета (благодарение на антиферомагнетизма!). Но едновременно с това те могат да генерират и откриват нещо, наречено спинов ток — по същество, поток от спинове на електрони през един материал.
Защо това е важно? Е, нашите настоящи компютри разчитат изцяло на движението на електрически заряд, за да обработват информация. Но електроните имат друго фундаментално свойство, наречено „спинове“ (те не се въртят буквално, но това е съвсем друга история), и използването му би могло да отвори напълно нови начини за обработка на данни.
Перфектният материал
Изследователите откриха доказателства за алтермагнетизъм в материал, наречен Co₁/₄TaSe₂, което звучи като нещо, което бихте имали трудности да произнесете след две чаши. Това е слоен материал, съдържащ магнитни кобалтни атоми, който е бил скрит на видно място, чакайки някой да погледне по-близо.
Това, което прави този материал особено специален, е неговата структура. Слоите са свързани само слабо, което означава, че изследователите могат да ги разделят и да ги комбинират в много тънки структури. Това е като да строиш с невероятно тънки, гъвкави листове, които можеш да подредиш както искаш. Това го прави идеален за тези тънки филмови устройства, които стават все по-важни в електрониката.
Как изобщо откривате нещо толкова странно?
Сега, ето къде науката става наистина страхотна (и когато казвам страхотна, имам предвид „изисква оборудване, което струва повече от повечето къщи“).
Екипът използва техника, наречена фотоемисионна спектроскопия с резолюция по ъгъл, или накратко ARPES. Това е съществено начин за измерване на енергията и движението на електроните чрез отразяване на светлина от тях и анализ на това, което се връща. Мислете за това като сонар, но за електрони.
Първоначалните измервания показаха нещо интригуващо: имаше отчетливо разщепване в електронните зони на материала. Но за да потвърдят окончателно, че гледат алтермагнетизъм, те трябваше да копаят по-дълбоко — буквално в спиновите свойства на тези електрони.
Те използваха ARPES с резолюция по спинове, което е като стандартната версия, но с суперсили, които ви позволяват да измервате как се въртят електроните. И ето го: разделените електронни състояния имаха противоположни спинови поляризации, което е точно това, което се очаква от алтермагнетизма.
Трудната част? Фотоемисионните техники са невероятно чувствителни към състоянието на повърхността. Дори най-малкото замърсяване може да скрие сигналите, които търсят. Затова сътрудничещите трябваше да произведат екстремно висококачествени проби, а екипът на Неупане трябваше внимателно да проверява всяка една за чисти повърхности, преди да ги изследва.
Какво означава това за вашите бъдещи устройства?
Ето тук аз ставам малко развълнуван от възможностите.
Неупане предполага, че алтермагнитните материали като Co₁/₄TaSe₂ могат в крайна сметка да се използват в спитрониката (електроника, която използва спина на електроните), ултрабързите паметни устройства, терахерцовите мрежи и енергоефективната електроника. Това е доста дълъг списък за бъдещата технология.
Представете си компютри, които не прегряват, защото не изразходват толкова много енергия. Представете си паметни устройства, които могат да превключват между състоянията почти мигновено. Представете си електроника, която може да работи, използвайки принципи, които едва започваме да разбираме.
Ще революционизира ли това вашия смартфон следващата година? Вероятно не. Но науката често работи с малки стъпки, които в крайна сметка водят до гигантски скокове. И откритието, че алтермагнетизмът е реален — че можем да го наблюдаваме и измерваме в реални материали — определено е една от тези малки стъпки.
Бъдещето на изчисленията може да бъде магнитно по начини, които никога не сме очаквали. И честно казано? Нямам търпение да видя докъде ще стигне това.
Източник: ScienceDaily — A new kind of magnetism could unlock faster, more efficient computers