Uusi tapa hallita magneettisuutta erittäin ohuissa materiaaleissa

Magnetismi on keskeinen muun muassa digitaalisen muistipiirin toiminnassa, joiden sisällä on pieniä magneettisia alueita, joita käytetään informaation tallentamiseen.

Näitä magneettisia alueita säätelevät pienet muutokset magneettisessa käyttäytymisessä, prosessi, jota kutsutaan vaihtopoikkeamaksi. Tähän asti vaihtopoikkeamaa on kuitenkin ollut vaikea tutkia ja vielä vaikeampaa hallita, koska sitä esiintyy rakenteiden sisällä, epätäydellisillä rajapinnoilla eri materiaalien välillä.

Edinburghin yliopiston, Boston Collegen ja Binghamtonin yliopiston tutkijat ovat kehittäneet keinon voittaa nämä haasteet.

Sen sijaan, että eri materiaaleja pinottaisiin päällekkäin, tiimi havaitsi, että he voisivat saavuttaa saman hallinnan CrPS₄ -tyyppisen puolijohdemateriaalin sisällä.

Erittäin ohuissa CrPS₄-hiutaleissa atomien kerrokset muodostavat luonnostaan alueita, joilla on erilaiset magneettiset ominaisuudet sen paksuuden vuoksi. Huippuluokan kuvantamistekniikoiden ja laajamittaisten simulaatioiden avulla tutkijat pystyivät näkemään, miten magneettiset alueet muodostuivat, vuorovaikuttivat ja siirtyivät eri kerrosmäärien välisillä rajoilla.

Kuvantamistekniikka – joka tunnetaan nimellä typpivakanssin (NV) keskusmagnetometria – toimii kuin erittäin herkkä magneettimikroskooppi, jossa käytetään timanttiantureita pienten magneettikenttien visualisointiin.

Muuttamalla CrPS₄:n kerrosten järjestystä tutkijat havaitsivat voivansa kytkeä vaihtopoikkeaman päälle tai pois päältä, aivan kuin kytkintä napsauttamalla. Prosessi on hallittavissa ja palautuva, mikä voisi olla erittäin hyödyllistä tulevaisuuden teknologioille, tiimi sanoo.

Edinburghin yliopiston fysiikan ja tähtitieteen tiedekunnan tohtori Elton Santos sanoi: ”CrPS₄:n sisällä olevat alueet ovat vierekkäin kuin kaistat moottoritiellä. Niiden välinen raja muodostaa täydellisen rajapinnan, jonka avulla voimme tutkia ja hallita magneettista käyttäytymistä uskomattoman tarkasti.”

Löytö ei ainoastaan syvennä tutkijoiden ymmärrystä magnetismista, vaan se myös luo pohjan älykkäämpien, pienempien ja luotettavampien magneettipiirien rakentamiselle, tiimi sanoo.

Se voisi auttaa insinöörejä suunnittelemaan erittäin kompakteja muistisiruja, uudelleenkonfiguroitavia antureita tai jopa magneettisiin periaatteisiin perustuvia kvanttilaskentalaitteita. CrPS₄ on stabiili ilmassa ja sen kanssa on helppo työskennellä, mikä tekee siitä ihanteellisen ehdokkaan tosielämän sovelluksiin, ei vain laboratoriokokeisiin, he lisäävät.

Tohtori Santos jatkaa: ”Tämä läpimurto avaa ikkunan atomitason magnetismin näkymättömään maailmaan. Tämä työ antaa meille läpinäkyvän ja luotettavan alustan ymmärtää ja suunnitella magnetismia atomitasolla. Se avaa oven kokonaan uudelle magneettiteknologioiden luokalle.”

Aiheesta aiemmin:

Magneettiset oktupolit voittavat antiferromagneettisia ongelmia

Ferrosähköistä muistipotentiaalia telluuriinissa

Orbitroniikka: uusi energiatehokas tekniikka