Veijo Hänninen

Magnetismia nanomitoissa

Nanotekniikan tutkimus luo myös magnetismiin aivan uusia ulottuvuuksia. Viime aikoina on tutkittu esimerkiksi yksittäisien atomien tai molekyylien magnetointia. Ne olisivat erinomaisia tallennusyksiköitä koska ne voidaan magnetoida vain jompaankumpaan kahdesta tilasta, spin ylös tai alas.

Ferromagnetismi on tunnetuin magneettisuuden muoto. Ferromagneettisen aineen magneettiset momentit järjestäytyvät hilassa samaan suuntaan.

Antiferromagneettiset aineet vaikuttavat ulkoisesti epämagneettiselta, sillä magneettiset momentit kumoavat toisensa.

Ferrimagnetismi on ferromagnetismin ja antiferromagnetismin välimuoto. Näissä aineissa vastakkaisiin suuntiin osoittavat magneettiset momentit eivät kuitenkaan täysin kumoa toisiaan ja aine on osittain magnetisoituva.

Paramagnetismi on joillakin aineilla havaittava magneettisuuden muoto, joka ilmenee väliaikaisesti kun aine on ulkoisessa magneettikentässä.

Uudempaa magnetismia

Vuonna 2012 MIT:n (Massachusetts Institute of Technology) tutkijat löysivät vielä uuden lajin magnetismia. Osoittautui, että perinteisen ferromagnetismin ja antiferromagnetismin lisäksi olisi olemassa kolmas perustavanlaatuinen tila magnetismia.

Tämän uuden tilan nimeksi tutkijat antoivat kvanttispinneste (quantum spin liquid, QSL). Kyseessä on kiinteä kide mutta sen magneettista tilaa kuvataan kuten nestettä, jossa magneettiset suuntaviivat vaihtelevat jatkuvasti, kuten molekyylien liike nesteessä.

Löydöllä voisi olla merkitystä tallennuksessa tai viestinnässä hyödynnettäessä eksoottista kvantti-ilmiötä eli pitkän kantaman lomittumista. Havainnot voivat tuottaa edistystä myös korkean lämpötilan suprajohteiden tutkimuksessa.

Nopeutta muistitekniikoille

Eräs magnetismin tutkimusta vauhdittanut alue ovat muistitekniikat. Esimerkiksi laserilla tapahtuva optinen magneettisuuden vaihto lupailee jo terahertsin nopeuksia tulevaisuuden kiintolevyille ja RAM-muisteille.

Mutta yleisemmin datan koodaamiseen muistiin käytetään sähkövirtaa, mikä on huomattava tehonkuluttaja. Jos data voitaisiin koodata ilman virtaa - esimerkiksi sähkökentällä se vaatisi paljon vähemmän energiaa. Monessa yliopistossa ja tutkimuslaitoksessa aiheeseen on paneuduttu sillä toteutuessaan se tarjoaisi mahdollisuuden käyttää multiferroisia materiaaleja tietokoneiden muisteissa.

Esimerkiksi Arkansasin yliopistossa aihetta tutkittiin vismutti-ferriitti-yhdisteessä, joka voi muuttaa sähköistä polarisaatiotaan kun on magneettikentässä tai magneettisia ominaisuuksia, kun on sähkökentässä.

Loppuvuodesta 2014 Cornellin yliopiston johtama tutkijaryhmä onnistui tekemään aiheesta kokeellisen läpimurron huonelämpötilaisesta magnetosähköisestä muistirakenteesta.

Uudenlainen fettien tapaan sähkökentällä tapahtuva ohjaus käyttää huomattavasti vähemmän energiaa kuin virran avulla tapahtuva ohjaus.

Multiferroininen rakenne vaatisi kertaluokan vähemmän energiaa kuin sen tärkein kilpailija, (spin transfer torque, STT) spin siirron vääntömomentti, joka hyödyntää magneettisen kytkentään eri fysiikkaa. STT on jo käytössä kaupallisissa sovelluksissa.

Vuonna 2016 Tohoku Universityssä toiminut tutkijaryhmä esitti kehittäneensä uuden rakenteen magneettiselle muistirakenteelle hyödyntämällä spin-orbit- vääntömomentin (SOT) aiheuttamaa magnetisoinnin vaihtoa. Periaatteessa SOT-kytkentä mahdollistaa magnetoinnin vaihdon nanosekuntien kuluessa.

Ultranopeaa magnetismia muisteille

Äskettäin (14.11.2017) Berkeley Labin sekä Kalifornian Berkeleyn ja Riversiden yliopistojen tutkijoiden esittelemä löytö kertoi sähköisestä magneettisuuden hallinnasta tietyissä metalleissa paljon suuremmilla nopeuksilla kuin nykyisillä magneettisilla satunnaismuisteilla (MRAM).

Magneettisessa gadolium-rauta ohutkalvossa saatiin ultranopea magnetismin suunnanmuutos aikaan 10 pikosekunnin sähköpulssilla. Se on suuruusluokan verran nopeammin kuin mikään muu sähköisesti ohjattu magneettikytkentä.

Työ liittyy spintroniikkaan, jossa tutkitaan sekä spin- että varausliikenteen nopeita ilmiöitä kiinteissä materiaaleissa. Löydetty menettely osoittaa kuitenkin täysin uuden sähköisen kytkentämekanismin, joka ei vaadi spin-polarisoituja virtoja tai spininvaihdon temppuja.

Datan tallennusta ei magneettiseen materiaaliin

Myös SLAC National Accelerator Laboratoryn tutkijat osoittivat alkuvuodesta, että magneettisia ominaisuuksia voidaan luoda ja tuhota ei-magneettisessa materiaalissa tarkalla sähkökentän soveltamisella.

Tutkijoiden mukaan menettelyn avulla voidaan toteuttaa tulevaisuuden datan tallennuslaitteita.

Sekä antiferromagneettiset että ferromagneettiset aineet osoittavat magneettisia ominaisuuksiaan vain alle tietyn lämpötilan ja sen yläpuolella niistä tulee ei-magneettisia.

Seostamalla antimagneettinen materiaali lantaanilla, tutkijat havaitsivat, että he voisivat virittää materiaalin ominaisuuksia siten, että sähkö ja magnetismi voivat vaikuttaa toisiinsa huoneenlämmössä. Ja sitten he saattoivat kääntää magneettisia ominaisuuksia sähkökentällä.

Neljä bittiä samaan rakenteeseen

Jo vuonna 2015 havaittiin yksisuuntainen spin Hall magnetoresistanssi. Tämä vaikutus eroaa muista magnetoresistansseista siinä, että resistanssin muutos riippuu joko magnetoinnin tai sähkövirran suunnasta.

Aiemmin tämä vaikutus osoitettiin kaksikerroksisissa rakenteissa, jotka koostuivat ei-magneettisesta ja magneettisesta kerroksesta.

Kesällä 2017 Tutkijat MIT ja ETH Zürichin tutkija julkaisivat uuden muistikonseptin, jossa lisäämällä kerrosrakenteita saatiin aikaan aivan uusia mahdollisuuksia muisteihin: kykyä erottaa ei vain kaksi, vaan neljä magneettista tilaa.

Tutkijat odottavat, että tämä muistilaite voidaan laajentaa suurempaan bittitiheyteen edelleen kerroksia lisäämällä, jolloin voisi olla mahdollista kahdeksan erilaista magnetointitilaa eli bittiä samaan rakenteeseen.

Nanomagneettisia muistisoluja mikrosiruille

Magneettikentän luominen vie tehoa ja tilaa, minkä vuoksi magneetteja ei ole integroitu mikrosiruihin.

Vuonna 2016 UC Berkeleyn tutkijat kertoivat löytäneensä tavan vaihtaa nanomagneettien polarisaatiota, pohjustaen näin massatallennuksen siirtymistä kiintolevyiltä integroiduille piireille.

Tutkimuksessa havaittiin, että nanomagneettien pieni kallistus tekee niistä helpommin tilaansa vaihtaviksi ilman ulkoista magneettikenttää. Tämä avaa tietä muisteille, jotka voidaan integroida mikropiirille.

Magneetit voivat korvata transistorit

Technische Universität Münchenin (TUM) ja Notre Damen yliopiston tutkijat osoittivat vuonna 2014, että tulevaisuudessa mikropiirit voisivat perustua nanometriluokan magneettien kolmiulotteiseen järjestelyyn transistorien sijasta.

Näissä nanomagneettien 3D-rakenteissa tutkijat toteuttivat Boolen logiikkaa toteuttavia portteja.

Nanomagneettinen logiikka voidaan pakata erittäin tiheästi. Aivan perustason rakennelohkoissa, yksittäiset nanomagneetit ovat kooltaan verrattavissa yksittäisiin transistoreihin. Lisäksi kun transistorit vaativat kontakteja ja johdotuksia, nanomagneetit toimivat puhtaasti kytkentäkenttien avulla.

Magneettisen kentän johde

Magnetismia pyritään hyödyntämään myös muissa sovelluksissa kuin muisteissa.

Joukko eurooppalaisia fyysikoita kehitti vuonna 2014 tekniikan siirtää staattisia magneettikenttiä mielivaltaisen pitkiä matkoja. Normaalisti magneettikenttä vaimenee nopeasti.

Innsbrukin yliopiston johdolla tutkijajoukko teoretisoi ja testasi tällaista laitetta kokeellisesti. Ratkaisu osoittautui yllättävä yksinkertaiseksi. Osoittautui, että tarvitaan materiaalia, jolla on äärimmäisen anisotrooppisia ominaisuuksia.

Koska tällaista materiaalia ei ole olemassa, fyysikot keksivät käyttää ferromagneettista sylinteriä ja käärivät sen suprajohtavaan kuoreen, joka toimii magneettisena eristeenä.

Tutkijoiden laskelmat osoittivat, että vuorottelevien samankeskeisten lieriökerroksien rakenne voisi siirtää 90 prosenttia magneettikentästä mille tahansa etäisyydelle.

Uutta menetelmää voitaisiin käyttää esimerkiksi tulevaisuuden kvanttiteknologioissa kytkemässä kaukaisia systeemejä magneettisesti toisiinsa.

Magneettisia ilmiöitä uusista materiaaleista

Uusien materiaaleja kehittäminen atomeista ylöspäin on nopeampaa, kuin kokeilun ja erehdyksen kautta etsityt. Näin myös magneettisten materiaalien suhteen.

Rice Universityssä ja Montreal Polytechnicissä tehdyn tutkimuksen laskelmat osoittivat, että kolmiulotteisen grafeenin ja boorinitridinanoputkien hybridillä on pseudomagneettisia ominaisuuksia. Sellainen voi olla hyödyllinen spintroniikan ja nanotransistorien sovelluksissa.

Arkansasin yliopiston fyysikot ja heidän avustajat ovat puolestaan luoneet magneettisen tilan muutamassa atomikerroksessa keinotekoisesti syntetisoitua materiaalia, joka tunnetaan siirtymämetallin oksideina.

"Avain seuraavan sukupolven elektroniikalle on valmistaa transistoreita, jotka ovat monitoimisia, mikä tarkoittaa, että yhden sähköisen pulssin pitäisi pystyä laukaisemaan useita toimintoja. Esimerkiksi ne voivat siirtyä sähköisen ja magneettisen tilan välillä toteaa," toteaa fysiikan professori Jak Chakhalian yliopistonsa tiedotteessa.

Spinvirta

Elektronin spin tuottaa magneettisen momentin ja vaikuttaa kiinteässä aineessa sen naapurielektronien spineihin.

Joissakin materiaaleissa, tätä voidaan käyttää siirtämään magneettisia signaaleja ilman, että itse elektronit liikkuvat. Koska tähän ei liity sähkövarauksen siirtoa sähkövirtana ja se on myös spin jolla välitetään tietoa, menettelyä kutsutaan spinvirraksi.

Koska elektronit eivät liiku, signaalin siirto tuottaa vähemmän lämpöä. Vuonna 2015 Bielefeldin yliopiston Tutkijat tuottivat puhtaita spinvirtoja magneettisissa materiaaleissa, jotka eivät johda sähkövirtaa - ns magneettiset eristimet.

"Aivan kuten voit käyttää sähkövirtaa tuottamaan sähköjännitteen materiaaleissa, jotka johtavat sähköä, voit käyttää spinvirtaa tuottamaan spinjännitteen magneettisissa isolaattoreissa. Tätä kutsutaan spin kertymäksi," kuvaa tohtori Timo Kuschel yhtäläisyyksiä klassinen elektroniikan ja spintroniikan kanssa.

Kokeissaan, ryhmä osoitti, että termisiä spinvirtoja voidaan tuottaa lämpötilaerojen kautta.

Tehokasta spintroniikkaa

Trinity Collegen tutkijaryhmä löysi vuonna 2015 uuden luokan magneettisia materiaaleja, jotka perustuvat Mn-Ga seokseen.

Näillä Zero-Moment Half Metallic –magneettien metalliseoksella on joitakin ainutlaatuisia ominaisuuksia, jotka antavat sille mahdollista mullistaa datan tallennusta.

Kyseisellä materiaalilla ei ole magneettista nettomomenttia, vaan se tukeutuu täysin spinpolarisaatioon. Jos materiaalilla ei ole magneettista momenttia se vapauttaa materiaalin omista demagnetoinnin voimista ja tarkoittaa, että se ei luo hajamagneettisia kenttiä.

Nollamomentti tarkoittaa myös sitä, että se on immuuni ulkoisien magneettikenttien vaikutuksille, toisin kuin perinteiset ferromagneetit. Tämän seurauksena ei olisi säteilyhäviöitä materiaalin magneettisen vaihtokytkennän aikana, jollaista esiintyy kun tietoja luetaan tai kirjoitetaan.

Tämä ominaisuus yhdistettynä täyteen spin polarisaatioon tarkoittaa, että materiaali olisi erittäin tehokas spintroniikassa.

Tutkijat löysivät kaksiulotteisen magneetin

University of Washingtonin ja Massachusetts Institute of Technologyn johtama tutkijaryhmä löysi vuonna 2016 ensimmäistä kertaa magnetismia kaksiulotteisesta materiaalista.

Magneettisuutta löytyi yksikerroksisesta kromi trijodidi eli Crl3-materiaalista. Mikään kolmiulotteinen magneettinen aine ei ole aiemmin säilyttänyt magneettisia ominaisuuksiaan, kun se ohennetaan yhden atomin arkiksi.

Kaksiulotteiset materiaalit tarjoavat jo sinällään mielenkiintoisia ilmiöitä mutta vielä suurempi mahdollisuuksia voi syntyä, kun pinotaan yhteen yksikerroksisia joilla on erilaisia fysikaalisia ominaisuuksia.

Vuonna 2017 Rice Universityn tutkijat jo loivat atomin paksuisia metalliseoksia, joilla on odottamattomia magneettisia ominaisuuksia. Samoihin aikoihin Paul Scherrer Instituten (PSI) ja University of Baselin tutkijat valmistivat ensimmäiset kaksiulotteiset ferrimagneettiset materiaalit.

Topologiaa ja magnetismia

Vuonna 2016 löydettiin ensimmäistä kertaa magneettimateriaalien luokka, jota kutsuttiin topologiseksi magnoniksi (tai magneettisen aallon) eristeiksi. Kyseinen materiaali voi johtaa magneettisia aaltoja (spin aaltoja) niiden reunoja pitkin, ilman johtumista muun materiaaliosan läpi.

Topologisten tyyliin magneettiset aallot eivät siroa aineen mistään vikakohdasta pinnassa tai sen sisuksissa.

Tällä uudella materiaalilla on mahdollisia sovelluksia spintroniikan alalla, missä spin-virtoja voitaisiin hyödyntää energiatehokkaisiin teknologioihin ja tietovarastoihin.

Usean amerikkalaisyliopiston tutkijoista koostunut ryhmä raportoi äskettäin topologisen käyttäytymisen ensimmäisestä havainnosta magneetissa.

Topologisien eli uudenlaisten relativististen kvanttimateriaalien yksi ominaisuus on varauksenkantajien lähes massaton eli fotonin kaltainen käyttäytyminen. Tällainen käyttäytyminen tarjoaa mahdollisuuden laitetekniikalle jolla on erittäin alhainen tehohävikki.

Liukenevaa magnetismia

University of Bristolin ja Oxfordin yliopiston tutkijat ovat luoneet polymeeriä, jossa nikkeli (kuten "nikkeloseeni yksiköinä) saa aikaan erittäin magneettista polymeerimateriaalia.

Tutkijoiden mukaan aiheeseen liittyi myös kyky luoda ja tuhota tämä dynaaminen magneettinen polymeeri käyttämällä vain lämpötilan muutoksia.

Useimmissa materiaaleissa magneettiset ominaisuudet ovat liukenemattomia tai vaikeasti prosessoitavia mutta tämä nikkeli-pohjainen polymeeri on harvinainen esimerkki helposti käsiteltävästä ja liukenevasta magneettisesta ominaisuudesta.

Magneetteja hiilestä

Tsekkiläisen Palacký University Olomoucin tutkijat loivat keväällä magnetoidun hiilen käsittelemällä grafeenikerroksia ei-metallisilla elementeillä.

Heidän keksintö on ensimmäinen ei-metallinen magneetti, joka säilyttää magneettiset ominaisuudet huoneenlämmössä. Tutkijoiden mielestä löydöllä on laaja valikoima mahdollisia sovelluksia biolääketieteen sekä spintroniikan ja elektroniikan aloilla.

"Metallijärjestelmissä magneettiset ilmiöt johtuvat elektronien käyttäytymisestä metallien atomirakenteessa", kertoo tutkija Michal Otyepka. "Kehittyneissä orgaanisissa magneeteissa magneettiset ominaisuudet johtuvat ei-metallisten kemiallisten radikaalien käyttäytymisestä, jotka kantavat vapaita elektroneja."

Nanomagneettien tekniikkaa

Magnetolämpöteho on ollut käytössä jo vuodesta 1930 lähtien ja vuonna 2015 kansainvälinen ryhmä tutkijoita osoitti, että vaikutus voidaan osoittaa myös nanorakenteissa. "Teknisesti se voisi olla mielenkiintoista lämmönvaihtimille jos meillä on ohutkalvo, koska sillä on suuri pinta-alan suhde tilavuuteen," toteaa Universidade do Porto yliopiston Horta Belo de Silva.

Eräs kansainvälisten tutkijoiden äskettäinen tutkimus loi magneettijärjestelmän, joka pystyy purkamaan lämpöenergiaa tietyn tyyppisellä räikällä. Tämä terminen räikkä on valmistettu materiaalista, joka tunnetaan "keinotekoisena spin-jäänä".

Kaksiulotteisissa magneettirakenteissa nyt havaittu vaikutus antaa vihjeitä siitä, että sillä on käytännön käyttöä nanomittakaavan laitteissa, kuten magneettisissa nanomoottoreissa, -toimilaitteissa tai antureissa.

Tammikuu 2018