Materiaalien tutkimuksia yhdellä kubitilla

Oak Ridge National Laboratoryn johtama tutkijaryhmä toi esiin uuden tavan mitata magneettisten materiaalien nopeita vaihteluita.

Näillä uusilla mittauksilla saatua tietämystä voitaisiin käyttää edistämään teknologioita perinteisestä tietojenkäsittelystä nousevaan kvanttilaskentaan.

Monet materiaalit käyvät läpi faasimuutoksia, joille on ominaista lämpötilasta riippuvaisten tärkeiden perusominaisuuksien vaiheittaiset muutokset. Materiaalien käyttäytymisen ymmärtäminen lähellä kriittistä siirtymälämpötilaa on avainasemassa kehitettäessä uusia teknologioita, jotka hyödyntävät ainutlaatuisia fysikaalisia ominaisuuksia.

Tässä tutkimuksessa ryhmä käytti nanomittakaavaista kvanttianturia mittaamaan spin-vaihteluita lähellä faasimuutosta magneettisessa ohutkalvossa. Ohuet kalvot, joilla on magneettisia ominaisuuksia huoneenlämpötilassa, ovat välttämättömiä datan tallentamisessa, antureissa ja elektronisissa laitteissa, koska niiden magneettisia ominaisuuksia voidaan tarkasti ohjata ja manipuloida.

Ryhmä käytti erikoisinstrumenttia, jota kutsutaan skannaavaksi typpivakanssikeskuksen mikroskoopiksi Nanophase Materials Sciences -keskuksessa, DOE:n tiedetoimiston käyttäjälaitoksessa ORNL:ssä.

Typpivakanssikeskus on atomimittakaavainen vika timantissa, jossa typpiatomi korvaa hiiliatomin ja naapurihiiliatomi puuttuu, mikä luo erityisen kvanttispintilojen konfiguraation. Typpivakanssikeskusmikroskoopissa vika reagoi staattisiin ja vaihteleviin magneettikenttiin, jolloin tutkijat voivat havaita signaaleja yhdellä spintasolla nanomittakaavan rakenteiden tutkimiseksi.

"Typpivakanssikeskus toimii sekä kubittina että erittäin herkkänä anturina, jota liikutimme ohuen kalvon päällä mitataksemme lämpötilasta riippuvia muutoksia magneettisissa ominaisuuksissa ja spin-vaihteluita, joita ei voida mitata millään muulla tavalla", sanoi ORNL:n materiaalitiede- ja teknologiaosaston tutkija Ben Lawrie.

Spin-vaihteluita havaitaan, kun spin-orientaation säätelemät materiaalin magneettiset ominaisuudet muuttavat suuntaa sen sijaan, että pysyisivät paikoillaan. Ryhmä mittasi spinvaihteluita ohuen kalvon läpikäydessä faasisiirtymän eri magneettisten tilojen välillä, joka indusoitiin näytteen lämpötilan muuttamisella. 

Nämä mittaukset paljastivat kuinka paikalliset muutokset spin-vaihteluissa liittyvät toisiinsa globaalisti lähellä faasimuutoksia. Tämä nanomittakaavan ymmärrys vuorovaikutteisista spinistä voisi johtaa uusiin spin-pohjaisiin tiedonkäsittelyteknologioihin ja syvempään näkemykseen laajoista kvanttimateriaaliluokista.

”Spintroniikan kehitys parantaa digitaalista tallennusta ja laskentatehoa. Samaan aikaan spin-pohjainen kvanttilaskenta tarjoaa houkuttelevan lupauksen klassisesti saavuttamattomista simulaatioista, jos voimme oppia hallitsemaan spinien ja niiden ympäristön välistä vuorovaikutusta", Lawrie sanoi.

Aiheesta aiemmin:

Uusi kvanttitunnistintekniikka paljastaa subatomisia signaaleja

Vikasietoinen kvanttitietokonemuisti timantissa

Timanttianturi jatkaa sähköauton matkaa