Magnetismia ei-magneettiseen materiaaliin

Minnesotan Twin Cities yliopiston tutkijat ovat löytäneet yllättävää magneettista käyttäytymistä yhdessä ohuimmista koskaan valmistetuista metallioksidimateriaaleista. Tämä voisi tasoittaa tietä seuraavan sukupolven nopeammille ja älykkäämmille spintroniikalle ja kvanttitietokoneille.

Tutkijat loivat erittäin ohuita RuO2-kerroksia käyttämällä hybridimolekyylisuihkuepitaksiaa materiaalien kasvatustekniikkana. RuO2 on yhdiste, joka tunnetaan tyypillisesti metallisista mutta ei-magneettisista ominaisuuksistaan.

Kohdistamalla epitaksiaalista rasitusta näihin atomisen ohuisiin kerroksiin – samalla tavalla kuin venyttämällä tai puristamalla kuminauhaa – he pystyivät indusoimaan magneettisia ominaisuuksia materiaaliin, joka muuten ei ole magneettinen.

”Työmme osoittaa, että RuO2 ei ole metallinen vain atomitasolla – se on metallisin materiaali, jonka olemme havainneet missään oksidissa, kilpaillen jopa alkuainemetallien ja 2D-materiaalien kanssa, vain toisena grafeenin jälkeen”, sanoo Bharat Jalan, tutkimuksen vanhempi kirjoittaja. ”Vielä jännittävämpää on, että tämä on yksi ensimmäisistä kokeellisista demonstraatioista altermagneettisesta tilasta ultraohuessa RuO2:ssa – uudessa ja jännittävässä magneettisten materiaalien luokassa.”

Yksi havaituista keskeisistä magneettisista vaikutuksista on nimeltään anomaalinen Hall-ilmiö, jossa sähkövirta taipuu magneettikentän läsnä ollessa – tärkeä ominaisuus seuraavan sukupolven muisti- ja tiedontallennuslaitteissa. Tyypillisesti tätä ilmiötä on vaikea saavuttaa metallisessa RuO2:ssa ja se vaatii äärimmäisiä magneettikenttiä, mutta tutkijat pystyivät havaitsemaan sen erittäin ohuessa RuO2:ssa ja paljon heikommilla magneettikentillä.

”Tämä on jännittävää, koska tämä ei ole vain laboratoriokuriositeetti – tutkimme materiaalia, joka voidaan integroida oikeisiin laitteisiin”, sanoo Seunnggyo Jeong, artikkelin ensimmäinen kirjoittaja. ”Tällä voi olla merkittäviä vaikutuksia pienempien, nopeampien ja energiatehokkaampien teknologioiden kehittämiseen, jotka liittyvät suoraan tekoälyyn.”

Tutkijat havaitsivat magneettisia vaikutuksia vain kahden soluyksikön paksuisissa kalvoissa. Ja ohuudestaan huolimatta materiaali pysyi erittäin metallisena ja rakenteellisesti vakaana.

”Tämä löytö osoittaa, kuinka voimme avata täysin uusia käyttäytymismalleja materiaaleissa pelkästään kontrolloimalla niitä atomitasolla”, sanoo professori Tony Low. ”Laskelmamme vahvistivat, että venymä muuttaa RuO2:n sisäistä rakennetta juuri oikealla tavalla, mikä mahdollistaa tämän altermagneettisen käyttäytymisen.”

Tiimi aikoo jatkaa sen tutkimista, miten venymän ja kerrostuksen yhdistelmiä voidaan käyttää uusien materiaalien ominaisuuksien suunnitteluun. Heidän perimmäisenä tavoitteenaan on kehittää alustamateriaaleja tulevaisuuden sovelluksiin kvanttilaskennassa, spintroniikassa ja pienen tehonkäytön elektroniikassa.

Aiheesta aiemmin:

Sähköinen spinin hallinta altermagneettisissa kvanttimateriaaleissa

Uusia magnetismin ilmiöitä

Uusi laji magnetismia