Μια ανακάλυψη που φέρνει τα πάνω κάτω στον κόσμο της Φυσικής υπόσχεται να αλλάξει ριζικά το μέλλον της τεχνολογίας και των ηλεκτρονικών μας συσκευών. Φανταστείτε να μπορούσατε να αλλάξετε τις ιδιότητες ενός υλικού —να το κάνετε, για παράδειγμα, να άγει το ρεύμα με εντελώς διαφορετικό τρόπο— χωρίς να πειράξετε ούτε ένα στοιχείο από τη χημική του σύσταση, παρά μόνο ασκώντας του μια ανεπαίσθητη, μηχανική πίεση.
Αυτό που μέχρι χθες φάνταζε αδύνατο, έγινε πραγματικότητα από τους επιστήμονες του Εθνικού Εργαστηρίου Oak Ridge (ORNL) των ΗΠΑ. Στο επίκεντρο αυτής της επανάστασης βρίσκονται οι «αλτερμαγνήτες», μια ολοκαίνουργια και πολλά υποσχόμενη κατηγορία μαγνητικών υλικών.
Χρησιμοποιώντας εξελιγμένες δέσμες νετρονίων για να κοιτάξουν βαθιά μέσα στην ατομική δομή των κρυστάλλων, οι ερευνητές ξεκλείδωσαν ένα μυστικό που συνδέει άρρηκτα τη μαγνητική οργάνωση με την ηλεκτρική συμπεριφορά.
Ας δούμε πώς αυτή η απροσδόκητη σύνδεση ανοίγει τον δρόμο για μια νέα γενιά ταχύτερων και πιο αποδοτικών ηλεκτρονικών συσκευών. Πειράματα με νετρόνια αποκάλυψαν μια απροσδόκητη σύνδεση ανάμεσα στη μαγνητική δομή και την ηλεκτρική συμπεριφορά. Μια απαλή πίεση (συμπίεση) μπορεί να αλλάξει τη μαγνητική δομή ορισμένων κρυστάλλων και να μεταβάλει την ηλεκτρική τους συμπεριφορά.
Επιστήμονες στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge (ORNL) του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ επέδειξαν αυτό το φαινόμενο σε «αλτερμαγνήτες» (altermagnets), μια αναδυόμενη κατηγορία μαγνητικών υλικών που εξετάζεται για χρήση σε προηγμένα ηλεκτρονικά συστήματα.
Χρησιμοποιώντας δέσμες νετρονίων για να εξετάσουν τα υλικά σε ατομική κλίμακα, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η μηχανική καταπόνηση (strain) θα μπορούσε να μετατοπίσει τη μαγνητική τους οργάνωση και να επηρεάσει μια ηλεκτρική απόκριση που σχετίζεται με τη μεταφορά ηλεκτρονίων.
Τα ευρήματα, τα οποία δημοσιεύθηκαν σε αλλεπάλληλες (back-to-back) εργασίες στα επιστημονικά περιοδικά Physical Review X και Advanced Materials, υποδεικνύουν μια πιθανή μέθοδο για τον έλεγχο των μαγνητικών ιδιοτήτων χωρίς την τροποποίηση της χημικής σύστασης του υλικού.
Πώς μια ανεπαίσθητη πίεση αλλάζει τη μαγνητική συμπεριφορά
Οι ερευνητές τοποθέτησαν μικροσκοπικούς κρυστάλλους τελλουριούχου μαγγανίου και θειούχου σιδήρου ανάμεσα σε δύο πλάκες τιτανίου και άσκησαν μηχανική πίεση. Στη συνέχεια, χρησιμοποίησαν περίθλαση νετρονίων στην Πηγή Σπαραγμού Νετρονίων (Spallation Neutron Source) του ORNL για να διερευνήσουν πώς η καταπόνηση επηρέασε τις μαγνητικές περιοχές (domains) — τμήματα δηλαδή μέσα στο υλικό που έχουν διαφορετικούς προσανατολισμούς μαγνητικής τάξης.
Οι μετρήσεις έδειξαν ότι η συμπίεση των κρυστάλλων άλλαξε τους σχετικούς πληθυσμούς αυτών των περιοχών. Οι ερευνητές εντόπισαν επίσης αλλαγές στο ανώμαλο φαινόμενο Hall (anomalous Hall effect), μια ηλεκτρική απόκριση που παράγει τάση κάθετη προς την κατεύθυνση του εφαρμοζόμενου ρεύματος.
Μαζί, τα αποτελέσματα αυτά συνδέουν τις αλλαγές στην οργάνωση των μαγνητικών περιοχών με τις αλλαγές στη συμπεριφορά της ηλεκτρικής μεταφοράς. «Ελέγχοντας τις μαγνητικές περιοχές, μπορούμε να επηρεάσουμε άμεσα τη συμπεριφορά μεταφοράς, και αυτό ανοίγει την πόρτα για τη διερεύνηση αυτών των υλικών σε τεχνολογίες σπιντρονικής (spintronics)», δήλωσε ο Pengcheng Dai από το Πανεπιστήμιο Rice, πρώην επιστήμονας νετρονίων στο ORNL.
Μια νέα προσέγγιση στον έλεγχο των σπιντρονικών υλικών
Οι αλτερμαγνήτες προσελκύουν το ερευνητικό ενδιαφέρον επειδή οι ασυνήθιστες μαγνητικές τους ιδιότητες θα μπορούσαν να υποστηρίξουν τη σπιντρονική (spintronics), μια τεχνολογία που χρησιμοποιεί το σπιν των ηλεκτρονίων παράλληλα με το ηλεκτρικό φορτίο για την αποθήκευση και την επεξεργασία πληροφοριών.
Τα συμβατικά ηλεκτρονικά βασίζονται αποκλειστικά στο φορτίο των ηλεκτρονίων, ενώ η σπιντρονική θα μπορούσε να προσφέρει επιπλέον τρόπους ελέγχου της πληροφορίας στις ηλεκτρονικές συσκευές. Η ανάπτυξη πρακτικών σπιντρονικών τεχνολογιών απαιτεί υλικά των οποίων οι μαγνητικές και ηλεκτρονικές ιδιότητες μπορούν να ελεγχθούν με αξιοπιστία.
Οι αλτερμαγνήτες είναι μεταξύ των υποψηφίων υλικών που εξετάζονται για πιθανές εφαρμογές, οι οποίες εκτείνονται από τις ασύρματες επικοινωνίες έως την κβαντική υπολογιστική. Τα πειράματα του ORNL υποδηλώνουν ότι η μηχανική καταπόνηση (strain) θα μπορούσε να προσφέρει έναν ακόμη τρόπο προσαρμογής αυτών των ιδιοτήτων, αν και η μεταφορά αυτών των ευρημάτων σε λειτουργικές συσκευές θα απαιτήσει περαιτέρω έρευνα.
«Το συναρπαστικό είναι ότι μια και μόνο δημιουργική πειραματική ιδέα —μια μικρή μηχανική συμπίεση ανάμεσα σε δύο πλάκες— μπορεί να αποκαλύψει μια εντελώς νέα μαγνητική συμπεριφορά και να πάει τον επιστημονικό κλάδο ένα βήμα μπροστά, με τη σκέδαση νετρονίων να παίζει έναν τόσο κρίσιμο ρόλο, φέρνοντας στο φως την υποκείμενη αλλαγή στον μαγνητισμό», δήλωσε ο Feng Ye, επιστήμονας νετρονίων στο ORNL και συνδιοργανωτής/συνauthor και των δύο μελετών.
