Veijo Hänninen

Turhautuminen ja epäjärjestys oikenee

Magneettinen vuorovaikutus turhautuu, jos spin eli magneettinen alkeiskomponentti ei pysty oikomaan suuntautumistaan siten, että se hyötyy vuorovaikutuksesta naapuriensa kanssa. Näin turhautuminen johtaa mm. monimutkaisiin rakenteisiin kuten heikkoon magnetismiin.

Aihe on turhauttanut tieteilijöitä jo pitkään mutta äskettäin Los Alamosin tutkijat osoittivat, että turhautuneet nanomagneetit järjestäytyvät epäjärjestyksen kautta

Erittäin pienet magneettiryhmät, joilla on outoja ja epätavallisia ominaisuuksia, voivat järjestyä kasvattamalla entropiaa tai fyysisten järjestelmien taipumusta epäjärjestykseen, mikä näyttää olevan ristiriidassa standardin termodynamiikan kanssa - mutta ei.

"Paradoksaalista kyllä, järjestelmä järjestyy, koska se haluaa olla häiriintyneempi", sanoo Cristiano Nisoli, Los Alamosin fyysikko. "Tutkimuksemme osoittaa entropian ohjaamaan järjestykseen rakenteellisessa tasapainotilassa olevien magneettien järjestelmässä."

Neuromorfista laskentaa

Nanomagneettiset järjestelmät, kuten tetris-spin-jää, osoittavat lupaavia logiikkaporttien piirejä neuromorfisessa laskennassa, huippuluokan laskenta-arkkitehtuurissa, joka jäljittelee tarkasti aivojen toimintaa. Niillä on myös mahdollisia sovelluksia useissa korkeataajuisissa laitteissa, jotka käyttävät magnonista tekniikkaa eli hyödyntää magnetismin dynamiikkaa nanomittakaavassa.

Entropia on fyysisen järjestelmän epäjärjestyksen, satunnaisuuden tai epävarmuuden tilan mitta. Esimerkiksi nesteellä on korkea entropia, koska lämpimissä lämpötiloissa - korkeassa energiassa - sen molekyylit voivat liikkua vapaasti satunnaisella, epäjärjestyneellä tavalla.

Mutta kun nesteitä jäähdytetään muodostamaan kiinteitä aineita, molekyylit rauhoittuvat ja järjestäytyvät vuorovaikutusten kautta optimoidakseen energiansa. Ne voivat asettua kidehilaan vain rajoitetussa määrässä konfiguraatioita. Tämä alentaa niiden entropiaa: ne ovat erittäin järjestyneitä.

Jotkut järjestelmät eivät kuitenkaan ole niin yksinkertaisia. Järjestelmän osat asettuvat järjestykseen, mutta toiset eivät. Nämä "turhautuneet" järjestelmät säilyttävät epäjärjestyksensä.

>Tetris-spin-jää, joka koostuu 2D-ryhmien hyvin pienistä magneeteista, jotka ovat vuorovaikutuksessa mutta turhautuneita, on kummallinen sekoitus entropiaa ja järjestystä. Magneettisten napojen suuntauksien turhautuvat siten, että järjestelmä säilyttää jonkin verran järjestystä samalla pysyen sekavana. Alhaisessa lämpötilassa se hajoaa vuorotellen järjestetyiksi ja epäjärjestyneiksi raidoiksi.

Ilmeinen paradoksi entropian lisääntymisestä järjestyksen kasvaessa ratkaistaan vuorottelevien kerrosten välisen entropisen vuorovaikutuksen avulla. Järjestelemällä keskenään järjestyneitä raitoja järjestelmä lisää epäjärjestystä muissa raidoissa. Siten järjestys tapahtuu ilman energian vähenemistä, mutta entropian lisääntymisen kautta.

"Mitään termodynamiikan lakia ei todellakaan rikota", Nisoli selventää.

Käytännöllisemmästä näkökulmasta katsoen tutkijat osoittavat työssään, että yhden alueen nanomagneettien keinotekoiset spin-jää-ryhmät voidaan suunnitella tuottamaan tällaista entropiaan perustuvaa järjestystä.

Kun spinjää sulaa

Turhautuneissa spin-järjestelmissä magneettiset faasisiirtymät tukevat eksoottisten, turhautumisesta johtuvien magneettisten vaiheiden muodostumista.

PSI:n ja ETH Zürichin tutkijat ovat havainneet ensimmäistä kertaa, kuinka pienet magneetit tietyssä asetelmassa asettuvat kohdakkain pelkästään lämpötilan muutosten seurauksena.

Laboratoriossa voidaan valmistaa kiteitä, joissa magneettiset alkeismomentit, eli spinit, muodostavat jään kanssa verrattavissa olevia rakenteita.

"Olemme valmistaneet keinotekoista spinjäätä, joka koostuu pääosin nanomagneeteista, jotka ovat niin pieniä, että niiden suunta voi muuttua pelkästään lämpötilan vaikutuksesta", kertoo fyysikko Kevin Hofhuis.

Näytteissään tutkijat käyttivät nikkeli-rautayhdistettä nimeltä permalloy, joka päällystettiin ohueksi kalvoksi piisubstraatille. Litografiaprosessilla luotiin toistuva kuusikulmainen nanomagneettien kagome-kuvio.

Lisäksi nanomagneetit liitettiin toisiinsa pienillä magneettisilloilla, jotka auttoivat faasimuutoksen virittämisessä siten, että se pystyttiin havaitsemaan.

Fotoemissioelektronimikroskooppi mahdollisti ryhmän jokaisen yksittäisen nanomagneetin magneettisen tilan tarkkailun ja luomaan videon, joka osoittaa, kuinka nanomagneetit ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa, kun lämpötilaa muutetaan.

Tässäkin työssä ajateltiin, että hyödyntää keinotekoisen spinjään reagointia ärsykkeisiin, kuten magneettikenttään tai sähkövirtaan voitaisiin hyödyntää aivoissa tapahtuvan kaltaiseen informaation käsittelyyn.

Hyödyllinen napamagneettinen metalli löydetty

Äskettäin löydetty materiaali tarjoaa alustan tutkia eksoottisia spin-rakenteita ja kuljetusmekanismeja, jotka voivat olla merkityksellisiä tuleville spin-pohjaisille elektronisille laitteille.

Polaariset metallit ovat metalleja, jotka ovat epäsymmetrisiä tilallisessa inversiossa - samanaikainen kääntyminen kaikkien kolmen tilakoordinaatin etumerkissä. Nämä materiaalit ovat harvinaisia. Polaariset metallit, jotka ovat myös magneettisia, ovat vielä harvinaisempia.

Nyt Hongrui Zhang Kalifornian yliopistosta Berkeleystä ja hänen kollegansa ovat tunnistaneet materiaalin, joka käyttäytyy polaarisena magneettisena metallina huoneenlämpötilassa. Tällä materiaalilla on kiehtovia sähköisiä ja magneettisia ominaisuuksia, jotka voivat tehdä siitä hyödyllisen spin-pohjaisen elektroniikan sovelluksissa.

Materiaalin valmistamiseksi tiimi aloitti kerroksellisella magneettikiteellä Fe5GeTe2 ja korvasi sen rauta--atomit vähitellen koboltti-atomeilla. Havaittiin, että kun Fe- ja Co-atomien määrät tulivat yhtä suureksi, kide kävi läpi rakenteellisen siirtymän ja kehitti polaarisen magneettisen metallin ominaisuuksia.

Tutkijat havaitsivat, että huoneenlämmössä tämä materiaali sisälsi kuusikulmaisen hilan pyörteileviä spinrakenteita, jotka tunnetaan magneettisina skyrmioneina. Siinä oli myös voimakas bulkki Rashba–Edelstein-ilmiö - ilmiö, jossa varausvirta muunnetaan spinien kertymäksi.

Molemmat näistä ominaisuuksista voivat olla hyödyllisiä seuraavan sukupolven spin-pohjaisissa elektroniikkatekniikoissa. Yleisemmin ryhmän työ osoittaa, että tämän tyyppisten materiaalien sähköisiä ja magneettisia ominaisuuksia voidaan hienosäätää säätämällä niiden kidesymmetriaa atomisubstituutiolla.

Toukokuu 2022