Ένας κβαντικός αισθητήρας που βασίζεται σε διαμάντια θα μπορούσε να βοηθήσει στην αποκρυπτογράφηση μιας μυστηριώδους, νέας κατηγορίας μαγνητών, η οποία ενδέχεται να τροφοδοτήσει την επόμενη γενιά εξαιρετικά αποδοτικών ηλεκτρονικών συσκευών.
Μια νέα, προτεινόμενη τεχνική κβαντικής ανίχνευσης θα μπορούσε να διευκολύνει σημαντικά τον εντοπισμό μιας από τις νεότερες και πιο συναρπαστικές κατηγορίες μαγνητών στη φυσική: των αλτερμαγνητών (altermagnets).
Αυτά τα ασυνήθιστα υλικά, που ανακαλύφθηκαν μόλις πριν από λίγα χρόνια, φαίνεται να συνδυάζουν την ταχύτητα και την αποδοτικότητα των αντισιδηρομαγνητών με ορισμένες από τις χρήσιμες ηλεκτρονικές ιδιότητες των παραδοσιακών μαγνητών, καθιστώντας τα πολλά υποσχόμενα για την επόμενη γενιά ηλεκτρονικών συσκευών.
Για δεκαετίες, οι επιστήμονες αναγνώριζαν μόνο δύο βασικούς τύπους μαγνητών.
Ο ένας είναι ο γνωστός σιδηρομαγνήτης (ferromagnet), ο τύπος που συναντάμε στους μαγνήτες του ψυγείου και σε αμέτρητες καθημερινές συσκευές.
Ο άλλος είναι ο αντισιδηρομαγνήτης (antiferromagnet), του οποίου οι μαγνητικές ιδιότητες είναι κρυμμένες σε ατομικό επίπεδο, αλλά έχουν προσελκύσει αυξανόμενο ενδιαφέρον λόγω των πιθανών εφαρμογών τους σε προηγμένες τεχνολογίες.
Πιο πρόσφατα, οι ερευνητές εντόπισαν μια τρίτη κατηγορία, γνωστή ως αλτερμαγνήτες (altermagnets).
Τα υλικά αυτά, τα οποία προτάθηκαν για πρώτη φορά την τελευταία δεκαετία, ενδέχεται να συνδυάζουν ορισμένα από τα πιο χρήσιμα χαρακτηριστικά τόσο των σιδηρομαγνητών όσο και των αντισιδηρομαγνητών, ανοίγοντας πιθανώς τον δρόμο για ταχύτερα ηλεκτρονικά συστήματα με μεγαλύτερη ενεργειακή αποδοτικότητα.
Πλέον, οι φυσικοί στο Πανεπιστήμιο του Μπάφαλο (University at Buffalo) πρότειναν μια νέα προσέγγιση κβαντικής ανίχνευσης, η οποία θα μπορούσε να κάνει τους αλτερμαγνήτες πολύ πιο εύκολο να εντοπιστούν.
Η προτεινόμενη μέθοδος, η οποία περιγράφεται στο περιοδικό Physical Review Letters, θα ανιχνεύει τον τρόπο με τον οποίο ένας ύποπτος αλτερμαγνήτης επηρεάζει ένα μικροσκοπικό μαγνητικό ελάττωμα που βρίσκεται μέσα σε ένα κοντινό διαμάντι.
Παρακολουθώντας τον τρόπο με τον οποίο το μαγνητικό σήμα του ελαττώματος χαλαρώνει και εξασθενεί με την πάροδο του χρόνου, οι ερευνητές ενδέχεται να είναι σε θέση να εντοπίσουν τα χαρακτηριστικά σημάδια του αλτερμαγνητισμού.
«Αυτό θα μπορούσε να αποτελέσει το πρώτο δομικό στοιχείο μιας νέας γενιάς πειραμάτων που θα καθορίζουν αν ένα υλικό είναι αλτερμαγνήτης», δηλώνει ο κύριος συγγραφέας της μελέτης, Τζαμίρ Μαρίνο, PhD, επίκουρος καθηγητής στο Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου του Μπάφαλο (University at Buffalo), στο Κολέγιο Τεχνών και Επιστημών.
«Οι αλτερμαγνήτες θα μπορούσαν να φέρουν επανάσταση στον τρόπο με τον οποίο μεταφέρουμε πληροφορίες, όμως για να επιβεβαιώσουμε αν αυτή η κομψή θεωρία είναι πραγματικά σωστή, χρειαζόμαστε πειράματα που θα εντοπίζουν τους αλτερμαγνήτες και θα επιβεβαιώνουν ότι συμπεριφέρονται όπως προβλέπουν οι επιστήμονες».
Στους συν-συγγραφείς της μελέτης περιλαμβάνονται οι πρώην συνεργάτες του Μαρίνο, Λίμπορ Σμέικαλ και Τζάιρο Σινόβα από το Πανεπιστήμιο Γιοχάνες Γκούτενμπεργκ του Μάιντς, οι ερευνητές που πρότειναν αρχικά την έννοια των αλτερμαγνητών.
«Αυτή η τεχνική ανίχνευσης θα μπορούσε να αποτελέσει ένα πολύ σημαντικό εργαλείο για τη μελέτη υποψήφιων αλτερμαγνητικών υλικών», δηλώνει ο Σινόβα.
«Προσφέρει πλεονεκτήματα σε σχέση με τις συμβατικές πειραματικές τεχνικές, καθώς μπορεί να ανιχνεύει λεπτά κατευθυντικά μαγνητικά μοτίβα σε διαφορετικές περιοχές ενός υλικού, χωρίς να το διαταράσσει σημαντικά».
Τι κάνει τους αλτερμαγνήτες διαφορετικούς;
Η ιδέα του αλτερμαγνητισμού εμφανίστηκε το 2019, όταν ερευνητές στο Μάιντς αντιμετώπισαν μια συμπεριφορά που δεν μπορούσε να εξηγηθεί ούτε από τους σιδηρομαγνήτες ούτε από τους αντισιδηρομαγνήτες.
Οι υπολογισμοί τους έδειξαν ότι το διοξείδιο του ρουθηνίου (ruthenium dioxide) θα έπρεπε να μην παρουσιάζει συνολικό μαγνητισμό, όπως ακριβώς συμβαίνει με έναν αντισιδηρομαγνήτη.
Ωστόσο, όταν εκτέθηκε σε ηλεκτρικό ρεύμα, φάνηκε να συμπεριφέρεται περισσότερο σαν σιδηρομαγνήτης.
Αυτό το απρόσμενο αποτέλεσμα οδήγησε στην ανάπτυξη της έννοιας των αλτερμαγνητών.
Στους συμβατικούς μαγνήτες, τα άτομα και τα σπιν των ηλεκτρονίων τους συνήθως οργανώνονται σε σχετικά απλά μοτίβα. Στους σιδηρομαγνήτες, τα γειτονικά σπιν των ηλεκτρονίων δείχνουν προς την ίδια κατεύθυνση, δημιουργώντας ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Επειδή αυτά τα σπιν μπορούν να αλλάξουν κατεύθυνση σχετικά εύκολα, οι σιδηρομαγνήτες χρησιμοποιούνται ευρέως για αποθήκευση πληροφοριών.
Οι αντισιδηρομαγνήτες λειτουργούν διαφορετικά. Τα γειτονικά σπιν δείχνουν προς αντίθετες κατευθύνσεις, με αποτέλεσμα τα μαγνητικά τους φαινόμενα να αλληλοαναιρούνται.
Παρόλο που αυτή η διάταξη είναι πιο δύσκολο να ελεγχθεί, μπορεί να αλλάζει κατάσταση πολύ πιο γρήγορα, γεγονός που καθιστά τους αντισιδηρομαγνήτες ιδιαίτερα ελκυστικούς για τις τεχνολογίες επεξεργασίας πληροφοριών του μέλλοντος.
Οι αλτερμαγνήτες βρίσκονται κάπου ανάμεσα στις δύο αυτές κατηγορίες.
Όπως οι αντισιδηρομαγνήτες, ο συνολικός μαγνητισμός τους αλληλοαναιρείται. Ωστόσο, η διάταξη των ατόμων στο εσωτερικό του υλικού προκαλεί στα ηλεκτρόνια συμπεριφορές που συνήθως συνδέονται με τους σιδηρομαγνήτες.
«Αυτή η διάταξη επιτρέπει στους αλτερμαγνήτες να συνδυάζουν τη γρήγορη εναλλαγή καταστάσεων των αντισιδηρομαγνητών με ορισμένες από τις πιο εύκολα ελεγχόμενες ηλεκτρονικές ιδιότητες των σιδηρομαγνητών», αναφέρει ο Μαρίνο.
Χρησιμοποιώντας ατέλειες στο διαμάντι για την ανίχνευση κρυφού μαγνητισμού
Οι ερευνητές στο Μάιντς και σε άλλα ερευνητικά κέντρα έχουν ήδη αναφέρει πειραματικές ενδείξεις αλτερμαγνητισμού σε αρκετά υλικά. Θεωρητικές μελέτες υποδεικνύουν ότι αυτή η κατηγορία υλικών μπορεί να είναι πολύ μεγαλύτερη, με περισσότερα από 200 υλικά να ενδέχεται να ταξινομούνται ως αλτερμαγνήτες.
Αυτός ο αριθμός θα ήταν υπερδιπλάσιος από τον αριθμό των γνωστών σιδηρομαγνητικών υλικών.
Για να βοηθήσει στον εντοπισμό αυτών των υποψήφιων υλικών, η ομάδα του Μαρίνο ανέπτυξε την προτεινόμενη τεχνική κβαντικής ανίχνευσης.
Η προσέγγιση βασίζεται σε ένα διαμάντι που περιέχει μια μικροσκοπική μαγνητική ατέλεια, η οποία δημιουργείται από ένα άτομο αζώτου και ένα γειτονικό άτομο άνθρακα που απουσιάζει από τη θέση του.
Αυτές οι ατέλειες είναι εξαιρετικά ευαίσθητες στη μαγνητική δραστηριότητα που υπάρχει κοντά τους.
Στα προτεινόμενα πειράματα, οι ερευνητές θα περιστρέφουν το μαγνητικό σπιν της ατέλειας προς διαφορετικές κατευθύνσεις και θα μετρούν πόσο γρήγορα αυτό χαλαρώνει.
Αν η χαλάρωση συμβαίνει ταχύτερα σε ορισμένες κατευθύνσεις σε σχέση με άλλες, αυτή η συμπεριφορά θα μπορούσε να αποκαλύψει τις πολύπλοκες διατάξεις των σπιν που προβλέπονται για τους αλτερμαγνήτες.
Ένα σημαντικό πλεονέκτημα αυτής της τεχνικής είναι ότι θα ήταν λιγότερο παρεμβατική σε σχέση με πολλές από τις υπάρχουσες μεθόδους που χρησιμοποιούνται για τη μελέτη μαγνητικών υλικών.
«Δεν θέλεις η μέτρησή σου να διαταράσσει έντονα το υλικό που μελετάς, γιατί τότε γίνεται πιο δύσκολο να διακρίνεις αν παρατηρείς τη φυσική συμπεριφορά του υλικού ή μια συμπεριφορά που προκαλείται από το ίδιο το πείραμα», αναφέρει ο Μαρίνο.
Προς ταχύτερα και πιο αποδοτικά ηλεκτρονικά συστήματα
Ο Μαρίνο τονίζει ότι το σύστημα ανίχνευσης υπάρχει προς το παρόν μόνο ως θεωρητική πρόταση.
Η ομάδα το ανέπτυξε χρησιμοποιώντας εξελιγμένα μοντέλα που προσομοιώνουν κβαντικές δυναμικές, όμως θα χρειαστεί ακόμη πειραματική επιβεβαίωση προτού οι ερευνητές γνωρίζουν αν μπορεί να εντοπίζει αξιόπιστα τους αλτερμαγνήτες.
«Η αποτελεσματική αναγνώριση των αλτερμαγνητικών υλικών αποτελεί ένα κρίσιμο βήμα προς τη μελλοντική αξιοποίησή τους στα ηλεκτρονικά συστήματα», αναφέρει ο Μαρίνο.
«Οι αλτερμαγνήτες θα έκαναν τη μεταφορά πληροφοριών ριζικά πιο αποδοτική. Αυτό θα μπορούσε να επιτρέψει στην τεχνολογία να γίνει μικρότερη σε μέγεθος και να καταναλώνει λιγότερη ενέργεια».
Στους επιπλέον συγγραφείς της μελέτης περιλαμβάνονται ο Χοσεΐν Χοσεϊναμπάντι, PhD, πρώην μεταπτυχιακός φοιτητής στο εργαστήριο του Μαρίνο, ο οποίος σήμερα είναι ανεξάρτητος διακεκριμένος μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Ινστιτούτο Μαξ Πλανκ για τη Φυσική Πολύπλοκων Συστημάτων στη Γερμανία, καθώς και ο V.A.S.V. Bittencourt από το Πανεπιστήμιο του Στρασβούργου / Ινστιτούτο Μαξ Πλανκ για την Επιστήμη του Φωτός.
Η έρευνα υποστηρίχθηκε από το Γερμανικό Ίδρυμα Ερευνών (German Research Foundation).
