Οι Μαγνήτες είναι Cool, αλλά είναι και Ενοχλητικοί
Εντάξει, ας μιλήσουμε για λίγο για τους μαγνήτες. Πιθανότατα γνωρίζετε τα βασικά — όπως οι πόλοι απωθούνται, οι αντίθετοι πόλοι ελκύονται, και το ψυγείο σας είναι γεμάτο με χαριτωμένα σχήματα επειδή οι εταιρείες κατάλαβαν ότι αυτός είναι ένας υπέροχος τρόπος να πουλήσουν μαγνήτες. Cool πράγματα.
Αλλά εδώ είναι το θέμα: οι συνηθισμένοι μαγνήτες (αυτοί που ονομάζονται φερромаγνητικοί, αν θέλετε να είστε τεχνικοί) έχουν ένα μικρό πρόβλημα συμπεριφοράς. Δημιουργούν αυτό που οι επιστήμονες ονομάζουν «παράσιτα μαγνητικά πεδία» — ουσιαστικά, εκπέμπουν συνεχώς τις μαγνητικές τους δονήσεις στην γύρω περιοχή, κάτι που μπορεί να επηρεάσει κοντινά ηλεκτρονικά εξαρτήματα.
Τώρα, αυτό δεν είναι μεγάλο ζήτημα όταν κολλάτε έναν μαγνήτη σε ένα ψυγείο. Αλλά εδώ είναι που τα πράγματα γίνονται δύσκολα: οι ηλεκτρονικές μας συσκευές γίνονται όλο και μικρότερες. Το smartphone σας έχει ήδη μεγαλύτερη υπολογιστική ισχύ από τους υπολογιστές που έστειλαν τους αστροναύτες στη Σελήνη. Και καθώς τοποθετούμε όλο και περισσότερα εξαρτήματα σε ολοένα και μικρότερους χώρους, αυτά τα παράσιτα μαγνητικά πεδία γίνονται ένα πραγματικό πονοκέφαλο.
Έτσι, οι επιστήμονες εξερευνούν έναν άλλο τύπο υλικού που ονομάζεται αντιφερρομαγνητικοί. Αυτοί είναι σαν τους ζεν μάستερ του μαγνητικού κόσμου — τα εσωτερικά τους μαγνητικά moments δείχνουν σε αντίθετες κατευθύνσεις και ουσιαστικά εξουδετερώνονται μεταξύ τους. Χωρίς παράσιτα πεδία, χωρίς δράμα. Το πρόβλημα; Οι αντιφερρομαγνητικοί είναι κάπως... βαρετοί. Λείπουν από αυτούς ορισμένες χρήσιμες ηλεκτρονικές ιδιότητες που κάνουν τους φερρομαγνητικούς τόσο ελκυστικούς για την κατασκευή τεχνολογίας.
Είσοδος στην Αλτερμαγνητισμό: Το Καλύτερο και από τους δύο κόσμους
Εδώ είναι που τα πράγματα γίνονται συναρπαστικά. Μια ομάδα ερευνητών στο Πανεπιστήμιο της Κεντρικής Флоρίδα, υπό την ηγεσία του φυσικού Madhab Neupane, μελετά μια νεοαναγνωρισμένη μορφή μαγνητισμού που ονομάζεται αλτερμαγνητισμός. Και σύμφωνα με την έρευνά τους, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα, αυτή η ουσία μπορεί να είναι το μαγικό ενδιάμεσο σημείο που αναζητούσαμε.
Φανταστείτε τον αλτερμαγνητισμό σαν τον στοχαστικό ενδοверτό που κατά κάποιο τρόπο έγινε και το κέντρο της πάρτι. Αυτά τα υλικά μπορούν να λειτουργούν χωρίς να δημιουργούν αυτά τα ενοχλητικά παράσιτα μαγνητικά πεδία (ευχαριστούμε, αντιφερρομαγνητισμός!). Αλλά ταυτόχρονα, μπορούν να παράγουν και να ανιχνεύουν κάτι που ονομάζεται ρεύματα σπιν — ουσιαστικά, τη ροή των σπιν των ηλεκτρονίων μέσα από ένα υλικό.
Γιατί έχει σημασία αυτό; Εντούτοις, οι τρέχουσες υπολογιστές μας βασίζονται εξ ολοκλήρου στην κίνηση του ηλεκτρικού φορτίου για να επεξεργαστούν πληροφορίες. Όμως τα ηλεκτρόνια έχουν μια άλλη θεμελιώδη ιδιότητα που ονομάζεται «σπιν» (δεν περιστρέφονται κυριολεκτικά, αλλά αυτό είναι μια άλλη συζήτηση), και η χρήση αυτής θα μπορούσε να ανοίξει εντελώς νέους τρόπους διαχείρισης δεδομένων.
Το Τέλειο Υλικό
Οι ερευνητές βρήκαν αποδείξεις αλτερμαγνητισμού σε ένα υλικό που ονομάζεται Co₁/₄TaSe₂, το οποίο ακούγεται σαν κάτι που θα δυσκολευόσασταν να προφέρετε μετά από δύο ποτά. Είναι ένα στρωματοποιημένο υλικό που περιέχει μαγνητικά άτομα κοβαλτί, και κρυβόταν μπροστά στα μάτια μας, περιμένοντας κάποιον να το εξετάσει πιο προσεκτικά.
Αυτό που κάνει αυτό το υλικό ιδιαίτερα đặc biệt είναι η δομή του. Τα στρώματα είναι μόνο ασθενώς συνδεδεμένα, πράγμα που σημαίνει ότι οι ερευνητές μπορούν να τα ξεκολλήσουν και να τα ξανασυνδυάσουν σε πολύ λεπτές δομές. Είναι σαν να χτίζεις με απίστευτα λεπτά, ευέλικτα φύλλα που μπορείς να τα τοποθετήσεις όπως θέλεις. Αυτό το καθιστά ιδανικό για εκείνες τις συσκευές λεπτού φιλμ που γίνονται ολοένα και πιο σημαντικές στην ηλεκτρονική.
Πώς μπορείς κανείς να ανιχνεύσει κάτι τόσο περίεργο;
Τώρα, εδώ είναι που η επιστήμη γίνεται πραγματικά cool (και εννοώ cool στο ότι «απαιτεί εξοπλισμό που κοστίζει περισσότερο από τα περισσότερα σπίτια»).
Η ομάδα χρησιμοποίησε μια τεχνική που ονομάζεται φασματοσκοπία φωτοεκπομπής με ανάλυση γωνίας, ή ARPES εν συντομία. Είναι ουσιαστικά ένας τρόπος να μετρήσεις την ενέργεια και την κίνηση των ηλεκτρονίων αντανακλώντας φως πάνω τους και αναλύοντας αυτό που επιστρέφει. Φανταστείτε το σαν σονار, αλλά για ηλεκτρόνια.
Οι αρχικές μετρήσεις έδειξαν κάτι ενδιαφέρον: υπήρχε μια χαρακτηριστική διαχωριστική σχισμή στα ηλεκτρονικά ζώνες του υλικού. Αλλά για να επιβεβαιώσουν πραγματικά ότι κοιτούσαν αλτερμαγνητισμό, έπρεπε να εμβαθύνουν — κυριολεκτικά στις ιδιότητες σπιν αυτών των ηλεκτρονίων.
Χρησιμοποίησαν το spin-resolved ARPES, που είναι σαν η κανονική έκδοση αλλά με υπερδυνάμεις που σου επιτρέπουν να μετρήσεις πώς περιστρέφονται τα ηλεκτρόνια. Και εκεί ήταν: τα χωρισμένα ηλεκτρονικά καταστάσεις είχαν αντίθετες πόλεις σπιν, που είναι ακριβώς αυτό που θα περιμένατε από τον αλτερμαγνητισμό.
Το δύσκολο κομμάτι; Οι τεχνικές φωτοεκπομπής είναι απίστευτα ευαίσθητες στις συνθήκες της επιφάνειας. Ακόμα και η παραμικρή ρύπανση θα μπορούσε να κρύψει τα σήματα που έψαχναν. Έτσι, οι συνεργάτες έπρεπε να παράγουν εξαιρετικά υψηλής ποιότητας δείγματα, και η ομάδα του Neupane έπρεπε να ελέγχει με μεتθοδικότητα κάθε ένα για καθαρές επιφάνειες πριν τα μελετήσει.
Τι σημαίνει αυτό για τα μελλοντικά σας gadgets;
Εδώ είναι που αρχίζω να ενθουσιάζομαι λίγο με τις δυνατότητες.
Ο Neupane υποδηλώνει ότι τα αλτερμαγνητικά υλικά όπως το Co₁/₄TaSe₂ θα μπορούσαν τελικά να χρησιμοποιηθούν στη σπιντρονική (ηλεκτρονική που εκμεταλλεύεται το σπιν των ηλεκτρονίων), σε υπερταχύτατες συσκευές μνήμης, σε δίκτυα τεραχέertz και σε ηλεκτρονικά ενεργειακής απόδοσης. Αυτή είναι μια αρκετά μεγάλη λίστα για την τεχνολογία του μέλλοντος.
Φανταστείτε υπολογιστές που δεν υπερθερμαίνονται επειδή δεν σπαταλούν τόσο πολύ ενέργεια. Φανταστείτε συσκευές μνήμης που μπορούν να αλλάζουν καταστάσεις σχεδόν ακαριαία. Φανταστείτε ηλεκτρονικά που μπορούν να λειτουργούν χρησιμοποιώντας αρχές που μόλις αρχίζουμε να κατανοούμε.
Θα φέρει αυτό επανάσταση στο smartphone σας το επόμενο έτος; Πιθανότατα όχι. Αλλά η επιστήμη συχνά προχωρά με μικρά βήματα που τελικά αθροίζονται σε γιγάντια άλματα. Και η ανακάλυψη ότι ο αλτερμαγνητισμός είναι πραγματικός — ότι μπορούμε να τον παρατηρήσουμε και να τον μετρήσουμε σε πραγματικά υλικά — είναι σίγουρα ένα από αυτά τα μικρά βήματα.
Το μέλλον του υπολογισμού μπορεί να είναι μαγνητικό με τρόπους που δεν περιμέναμε ποτέ. Και ειλικρινά; Ανυπομονώ να δω πού θα οδηγήσει αυτό.
Πηγή: ScienceDaily — A new kind of magnetism could unlock faster, more efficient computers