Ένα σημαντικό ορόσημο για το μέλλον της τεχνολογίας και των υπολογιστών φέρνει στο φως η σύγχρονη κβαντική φυσική, ανοίγοντας τον δρόμο για μια νέα γενιά ηλεκτρονικών συστημάτων.
Διεθνής ομάδα επιστημόνων κατάφερε να ξεκλειδώσει μια «κρυφή» ιδιότητα της ύλης, ανατρέποντας όσα γνωρίζαμε μέχρι σήμερα για τη συμπεριφορά των υλικών σε μικροσκοπικό επίπεδο.
Τα νέα ευρήματα, που δημοσιεύθηκαν πρόσφατα, υπόσχονται να φέρουν επανάσταση στην ταχύτητα και την αποδοτικότητα των ψηφιακών συσκευών, προσφέροντας μια συναρπαστική ματιά στο πώς η επιστήμη του σήμερα διαμορφώνει την τεχνολογία του αύριο.
Ερευνητές ανακάλυψαν ότι το υπερλεπτό διοξείδιο του ρουθηνίου μπορεί να εμφανίσει σημάδια μιας ασυνήθιστης, νέας μορφής μαγνητισμού, όταν η ατομική του δομή υποβληθεί σε μηχανική καταπόνηση (τάση).
Οι επιστήμονες ανακάλυψαν έναν αναπάντεχο τρόπο για να ενεργοποιήσουν ενδεχομένως μια ασυνήθιστη μορφή μαγνητισμού στο διοξείδιο του ρουθηνίου, ένα υλικό που υπό κανονικές συνθήκες θεωρείται μη μαγνητικό.
Όταν το υλικό μετατράπηκε σε μια υπερλεπτή μεμβράνη πάχους μόλις λίγων ατομικών στρωμάτων και υποβλήθηκε σε τάση, τα ηλεκτρόνιά του ανέπτυξαν μοτίβα που συνάδουν με τον “αλτερμαγνητισμό” (altermagnetism) – μια μαγνητική κατάσταση που προτάθηκε πρόσφατα και υπόσχεται σημαντικές εφαρμογές στα προηγμένα ηλεκτρονικά συστήματα.
Μια πρόσφατα προταθείσα μορφή μαγνητισμού, γνωστή ως “αλτερμαγνητισμός” (altermagnetism), θα μπορούσε τελικά να βοηθήσει τους ερευνητές να κατασκευάσουν μικρότερες, ταχύτερες και πιο αποδοτικές μνήμες υπολογιστών.
Τώρα, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ενδείξεις ότι το διοξείδιο του ρουθηνίου –ένα κβαντικό υλικό που προηγουμένως θεωρούνταν μη μαγνητικό στη φυσική του μορφή– μπορεί να εμφανίσει αυτή την ασυνήθιστη μαγνητική συμπεριφορά, όταν παρασκευάζεται ως υπερλεπτή μεμβράνη πάχους μόλις λίγων ατομικών στρωμάτων.
Η φυσικός Μινγκ Γι από το Πανεπιστήμιο Ράις, σε συνεργασία με τον Μπαράτ Τζαλάν από το Πανεπιστήμιο της Μινεσότα και τον Μίλαν Ράντοβιτς από το Ινστιτούτο Paul Scherrer, δημοσίευσε τα σχετικά ευρήματα στο επιστημονικό περιοδικό Science Advances.
“Το διοξείδιο του ρουθηνίου ήταν ένα από τα πρώτα υλικά που προτάθηκαν ως υποψήφια για την εμφάνιση αλτερμαγνητισμού, όμως οι μελέτες στη συμπαγή μορφή του δεν απέδωσαν ενδείξεις μαγνητισμού”, δήλωσε η Γι, αναπληρώτρια καθηγήτρια φυσικής και αστρονομίας. “Η έρευνά μας δείχνει ότι η υπερλεπτή μορφή του, από την άλλη πλευρά, ίσως αποτελεί το κλειδί για να καταστεί μαγνητικό”.
Ανίχνευση του μαγνητισμού μέσω του σπιν των ηλεκτρονίων
Για να διερευνήσουν τη μαγνητική κατάσταση του υπερλεπτού διοξειδίου του ρουθηνίου, οι ερευνητές εξέτασαν τη “δομή του σπιν” (spin texture) του υλικού. Η δομή του σπιν περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο οι μαγνητικές ροπές ενός υλικού –δηλαδή τα σπιν των ηλεκτρονίων του– είναι διατεταγμένα στον χώρο.
Τα μοτίβα αυτά, μπορούν να αποκαλύψουν αν ένα υλικό είναι μαγνητικό και, αν ναι, τι είδους μαγνητισμό παρουσιάζει. Η ομάδα μέτρησε αυτά τα μοτίβα χρησιμοποιώντας μια τεχνική που ονομάζεται φωτοεκπομπή επιλυμένη ως προς τη γωνία και το σπιν (spin-resolved angle-resolved photoemission spectroscopy).
“Μετά την ανάλυση των μετρήσεών μας, συμπεριλαμβανομένης της ενίσχυσης της ερμηνείας μας με θεωρητικούς υπολογισμούς, διαπιστώσαμε ότι, υπό τις πειραματικές μας συνθήκες, το διοξείδιο του ρουθηνίου εμφανίζει δομές σπιν που συνάδουν με τον αντισυμβατικό μαγνητισμό”, δήλωσε ο Γιτσέν Ζανγκ, κύριος συγγραφέας της μελέτης και πρόσφατος απόφοιτος του Πανεπιστημίου Ράις.
“Αυτό υποδηλώνει ότι το διοξείδιο του ρουθηνίου στη συμπαγή και στην υπερλεπτή μορφή του μπορεί, υπό τις κατάλληλες συνθήκες, να έχει σαφώς διαφορετικές μαγνητικές ιδιότητες”.
Η ατομική παραμόρφωση ως «διακόπτης» ελέγχου του μαγνητισμού
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η ασυνήθιστη συμπεριφορά του σπιν εμφανιζόταν υπό συγκεκριμένες συνθήκες. Ειδικότερα, η ηλεκτρονική δομή του υπερλεπτού διοξειδίου του ρουθηνίου έπρεπε να υποστεί πλεγματική παραμόρφωση (lattice strain), η οποία ασκεί πίεση στην ατομική δομή του υλικού.
Χωρίς αυτή την παραμόρφωση, όπως συμβαίνει στη φυσική, συμπαγή μορφή του υλικού, τα σπιν των ηλεκτρονίων δεν εμφάνιζαν σημάδια αλτερμαγνητισμού.
“Η εξάρτηση από την παραμόρφωση υποδηλώνει ότι ίσως μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την πλεγματική τάση ως έναν ‘ρυθμιστικό διακόπτη’ για να προκαλέσουμε ή να ελέγξουμε τον αλτερμαγνητισμό”, δήλωσε ο Ζανγκ. “Αυτό θα μπορούσε να αποδειχθεί εξαιρετικά χρήσιμο αν αναλογιστούμε τη σπιντρονική επόμενης γενιάς και τις αρχιτεκτονικές των μνημών RAM”.
Το αποτέλεσμα αυτό ανοίγει την προοπτική οι ερευνητές να προσαρμόζουν σκόπιμα την πλεγματική παραμόρφωση για να ελέγχουν τη μαγνητική συμπεριφορά σε μελλοντικά ηλεκτρονικά υλικά.
Ένας τέτοιος έλεγχος θα μπορούσε να αποδειχθεί πολύτιμος για τη σπιντρονική (spintronics) –έναν τομέα που χρησιμοποιεί το σπιν των ηλεκτρονίων εκτός από το ηλεκτρικό φορτίο για την επεξεργασία και αποθήκευση πληροφοριών– καθώς και για τους νέους σχεδιασμούς μνήμης υπολογιστών.
Μια μακροχρόνια επιστημονική διαμάχη γύρω από το διοξείδιο του ρουθηνίου
Τα ευρήματα υπογραμμίζουν επίσης πόσο δύσκολο μπορεί να είναι να εντοπιστεί και να περιγραφεί η συμπεριφορά των κβαντικών υλικών. Το διοξείδιο του ρουθηνίου βρίσκεται εδώ και καιρό στο επίκεντρο μιας μακράς επιστημονικής διαμάχης, καθώς οι φυσικοί προσπαθούσαν να προσδιορίσουν αν η συμπαγής μορφή του ήταν μαγνητική.
Οι ερευνητές κατέληξαν τελικά σε συναίνεση ότι το συμπαγές διοξείδιο του ρουθηνίου δεν εμφανίζει μαγνητισμό. Η νέα αυτή μελέτη υποδηλώνει ότι η αλλαγή των διαστάσεων του υλικού και η υποβολή της ατομικής του δομής σε τάση μπορούν να παράγουν μια εντελώς διαφορετική συμπεριφορά. “Αυτή η εργασία δείχνει πόσο περίπλοκα μπορεί να είναι αυτά τα ζητήματα”, δήλωσε η Γι.
“Η υψηλή ποιότητα προετοιμασίας του υλικού και το προσεκτικό πρωτόκολλο μετρήσεων ήταν καθοριστικά για την παρατήρηση των σωστών ιδιοτήτων του σπιν των ηλεκτρονίων. Τα αποτελέσματα απαιτούσαν προσεκτική ανάλυση της φωτοεκπομπής επιλυμένης ως προς τη γωνία και το σπιν.
Μέσα από αυτή τη διαδικασία, καταφέραμε να προσδιορίσουμε όχι μόνο τις συμμετρίες της μαγνητικής κατάστασης, αλλά και έναν πιθανό τρόπο χειρισμού της στα κβαντικά υλικά επόμενης γενιάς”.
Η συγκεκριμένη εργασία χρηματοδοτήθηκε από το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ (DE-SC0026179, DE-SC0020211, DE-SC0024710), την Πρωτοβουλία EPiQS του Ιδρύματος Gordon and Betty Moore (GBMF9470) και το Ίδρυμα Robert A. Welch (C-2175).
