Hogyan születik a mágnesesség atomos szinten?
A mágnesesség már az atomok világában kezdődik: minden atom egy apró rúdmágnesként viselkedik annak köszönhetően, amit atomszpinnek nevezünk. A szpin egy irányt mutató nyílként képzelhető el, amely az atom mágneses terét jelzi. Ha sok atom szpinje ugyanabba az irányba vagy éppen ellentétes irányokba rendeződik, létrejön az a mágneses rend, amit a hétköznapi technológiákban is használunk.
A kutatócsoport új anyagában azonban a szpinek nem rendeződnek katonás sorba. Helyette bonyolult, spirálszerű mintázatokba szerveződnek, amelyek alapvetően megváltoztatják az anyag mágneses tulajdonságait. Ezeket a jelenségeket szpintextúrának nevezik, amelyek nagymértékben befolyásolják, hogyan reagál az anyag a mágneses térre.
Különleges mintázatok: szerkezeti frusztráció nyomán
A szokatlan mágneses viselkedés eléréséhez a kutatók két, kémiailag szinte azonos, de kristályszerkezetükben különböző vegyületet olvasztottak össze. Ez a szerkezeti eltérés egyfajta instabilitást, úgynevezett szerkezeti frusztrációt teremt az anyagban: egyik szerkezet sem tud uralkodni a másik felett, ami megakadályozza az egyszerű, stabil elrendeződést.
A kísérletben egy mangán-, kobalt- és germániumalapú vegyületet kombináltak egy mangán-, kobalt- és arzénalapúval. A germánium és az arzén a periódusos rendszerben egymás mellett helyezkednek el, így a két anyag kémiailag közeli, szerkezetileg mégis eltérő.
Miután a keveréket lehűtötték és kristályosították, speciális neutrondiffrakciós mérésekkel igazolták, hogy sikerült létrehozni az áhított, cikloidszerű szpinmintázatot – ezt a kutatók a skyrmion-textúrához hasonlítják, amely a jelenlegi fizikai és kémiai kutatások egyik forró témája.
Miért jelentősek ezek a mágneses mintázatok?
A skyrmionhoz hasonló szpintextúrákat tartalmazó anyagok számos izgalmas technikai előnyt kínálnak. Ilyen mintázatok segítségével egy adott helyen nagyságrendekkel több adat tárolható, így ezek vezethetnek a következő generációs merevlemezek megjelenéséhez.
Továbbra is fontos szempont, hogy a skyrmionok nagyon kis energiabefektetéssel mozgathatók, ami jelentősen csökkentheti az elektronikai eszközök energiafogyasztását. Nagy számítási rendszerekben ez komoly megtakarítást jelenthet áram és hűtés tekintetében.
Mindebből fakadóan az ilyen anyagok új irányt adhatnak a hibamentes kvantumszámítógépek fejlesztésének, ahol a stabil adattárolás és hibajavítás kulcsfontosságú. Az új neutrondiffrakciós és gépi tanulási módszerek alkalmazásával pedig a kutatók most már nemcsak megtalálni, hanem tudatosan megtervezni is képesek ilyen komplex mágneses szerkezeteket a jövő technológiái számára.
Tervezett anyagok: nem keresni, hanem előállítani
A legtöbb eddigi kísérlet a skyrmion-textúrák után már ismert anyagok vizsgálatával próbált eredményt elérni. Most azonban tudatosan terveztek új anyagot, amely a szerkezeti frusztráció révén nyerte el a kívánt mágneses tulajdonságokat.
A kutatók úgy gondolják: ha értjük, milyen szabályok szerint jelennek meg ezek a szpinmintázatok, képesek leszünk előre jelezni, hol alakulnak ki speciális mágneses tulajdonságok – így nem kell többé véletlenszerű keresgélésre hagyatkozni.
Ez a megközelítés a gyártást is egyszerűbbé, olcsóbbá és rugalmasabbá teheti, mivel sokkal szélesebb alapanyagkínálatból indulhatnak ki, könnyítve a kristályok növesztését, az ellátási lánc biztosítását és a költségek csökkentését.
Bakancslistás élmények és együttműködések
Az egyik fiatal kutató az Oak Ridge National Laboratory-ban végezhette a vizsgálatok egy részét, amit meghatározó szakmai tapasztalatként írt le. A Florida State University régóta együttműködik a laboratóriummal, amely lehetőséget teremt az ottani szakértelem és műszerek közös használatára.
A kutatás több ország vezető intézményeinek összefogásával valósulhatott meg, köztük európai szinkrotronkutató központok, kínai egyetemek és német partnerek részvételével. A munka az Amerikai Nemzeti Tudományos Alapítvány támogatásával, a floridai egyetem és az Oak Ridge-i laboratórium háttérbázisával zajlott – jelezve, hogy az anyagtudomány jövője interkontinentális együttműködésen alapul.
