Antiferromagneettinen läpimurto

Kuten niin monet tutkimusryhmät ympäri maailmaa Nebraska-Lincolnin yliopiston vetämä ryhmä etsi kvanttimateriaalia, jonka magneettisia tiloja voitaisiin muuttaa pelkästään sähköisin keinoin ja huonelämpötilassa.

Nyt tämä ryhmä on suunnitellut nanotasoisen materiaalin ja mikroskooppisen kokoonpanon, joka pystyy siihen. Tutkijoiden mukaan kromioksidi, jossa on ripaus booria epäpuhtautena voi auttaa ennustamaan digitaalisen muistin ja prosessoreiden syntymistä, jotka kuluttavat paljon vähemmän virtaa ja mahdollisesti jopa toimivat nopeammin kuin nykypäivän laitteet.

Kromioksidi itsessään on antiferromagnetisminen. Sekä ferromagneettien että antiferromagneettien sisäiset magneettiset tilat voidaan kytkeä koodaamaan binääridata 1 ja 0. Vaikka kromioksidi kestää lämpöä ja voi vaihtaa magneettisia tiloja, se menettää antiferromagnetisminsa ja manipuloitavuutensa sähkökentillä 34 Celsius-asteessa.

Ensin kokeiltiin lähestymistapaa, johon sisältyi nano-ohut kerros ferromagneettista materiaalia kromioksidikerroksen päällä. Ajatus oli että sähkökentällä ohjatun antiferromagneetin tila muuttaisi päällä olevan ferromagneetin magneettisuutta ykköseksi tai nollaksi. Kun kromioksidiin lisättiin booria, kokeilu nosti lämpötilakynnystä, mikä on merkittävä saavutus jo sinänsä. Silti oli vielä sovellettava energianälkäistä magneettikenttää. Ja edes se ei riittänyt.

"Voima, joka piti ferromagneettia yhdistettynä antiferromagneettiin, oli liian heikko", toteaa Cristian Binek, joka johtaa Nebraska Center for Materials and Nanoscience -keskusta. "Joten meidät pakotettiin kokeilemaan jotain muuta. Ja se päätyi eduksi."

Siten tehtiin kokeita ilman ferromagneettista pintakerrosta. Havaittiin, että pelkkä antiferromagneetti tuotti juuri riittävästi pintatason magneettisuutta luettavaksi databittinä. Nyt atomiset magneetit loivat 90 asteen kulman tavallisen 180 asteisen sijaan. Tämä tapahtui vain jännitteellä ohjaten ja toimi jopa korkeammissa 127 Celsius-asteen lämpötiloissa. Lisäksi sama voiman heikkous, joka turhautti aiemmassa lähestymistavassa, helpotti antiferromagnetin sisäisen magneettisuunnan vaihtamista.

Tiimin kanssa työskentelevä teoreettinen fyysikko oli arvioinut, että vaihto voi tapahtua jopa sadassa pikosekunnissa, noin kymmenen kertaa nopeammin kuin tyypillisesti ferromagneettisessa materiaalissa.

Kuinka ennustettu sadan pikosekunnin nopeus muuttuu todellisiksi laitteiksi, on epävarmaa, Binek ennakoi, mutta on rohkaiseva merkki. Ja riippumatta siitä, tallentaako ja käsitteleekö dataa nopeammin kuin ferromagneetit, sen energiatehokkuuden suuri etu voisi tehdä siitä työhevosen sellaisissa laitteissa, jotka eivät yleensä ole kytkettynä virtalähteeseen.

Aiheesta aiemmin:

Magneettien manipulointia atomien tasolla

Ensimmäinen antiferromagneettinen topologinen kvanttimateriaali

Harppaus magnetisoitumisen tutkimuksessa

Kohti antiferromagneettisia muisteja