Magneettisten tekstuurien säätäminen sähkökentillä

Paul Scherrer -instituutin (PSI) Sveitsin Spallation Neutron Source SINQ -tutkimuslaitoksen tutkijat ovat osoittaneet innovatiivisen menetelmän materiaalien magnetismin hallitsemiseksi sähkökentän avulla.

Löytö keskittyy magnetoelektrisiksi materiaaleiksi kutsuttuihin materiaaleihin, jotka tarjoavat lupaavia mahdollisuuksia seuraavan sukupolven energiateknologioille, datan tallennukselle, energian muuntamiselle ja lääkinnällisille laitteille.

Tekoälyn ja datakeskusten vaatiessa yhä enemmän energiaa, tutkijat etsivät älykkäämpiä ja vihreämpiä teknologioita. Tässä kohtaa magnetoelektriset materiaalit tulevat mukaan kuvaan –  erityiset yhdisteet, joissa sähköiset ja magneettiset ominaisuudet liittyvät toisiinsa.

Tämä yhteys antaa tutkijoille mahdollisuuden hallita magnetismia sähkökenttien avulla, mikä voisi tasoittaa tietä erittäin energiatehokkaille muisti- ja laskentalaitteille.

Yksi tällainen magnetoelektrinen materiaali on oliivinvihreä kide, kupari - oksiselenidi (Cu₂OSeO₃). Matalissa lämpötiloissa atomien spinit järjestäytyvät eksoottisiksi magneettisiksi kuvioiksi, muodostaen rakenteita, kuten heliksiä ja kartioita. Nämä kuviot ovat paljon suurempia kuin alla oleva atomihila eivätkä ole kiinnittyneet sen geometriaan, mikä tekee niistä erittäin viritettäviä. 

PSI:n tutkijat ovat nyt osoittaneet, että sähkökenttä voi ohjata näitä magneettisia tekstuureja kuparioksiselenidin sisällä. Tyypillisissä materiaaleissa atomien spinien kiertymisestä ja suuntautumisesta muodostuvat magneettiset rakenteet ovat lukittuina tiettyihin suuntiin. Oikealla jännitteellä varustetussa kuparioksiselenidissä tutkijat voivat työntää ja suunnata niitä uudelleen.

Tämä on ensimmäinen kerta, kun magneettisen tekstuurin etenemissuuntaa voidaan jatkuvasti muuttaa materiaalissa sähkökentän avulla – tämä vaikutus tunnetaan magnetoelektrisenä taipumana. Nyt tutkijoita kiinnosti sen fysiikka syvällisemmin.

Tehdyt havainnot olivat kiehtovia: magneettiset rakenteet eivät ainoastaan ​​reagoineet  –  ne käyttäytyivät kolmella eri tavalla sähkökentän voimakkuudesta riippuen. Heikot sähkökentät poikkeuttivat magneettisia rakenteita varovasti lineaarisella vasteella. Keskisuuret kentät johtivat monimutkaisempaan, epälineaariseen käyttäytymiseen. Suuret kentät aiheuttivat dramaattisia 90 asteen käännöksiä magneettisen tekstuurin etenemissuunnassa.

”Jokaisella näistä menetelmistä on ainutlaatuisia ominaisuuksia, jotka voitaisiin integroida mittaus- ja tallennusrakenteisiin”, sanoo Sam Moody, PSI:n postdoc-tutkija ja tutkimuksen päätekijä. ”Yksi erityisen jännittävä mahdollisuus ovat hybridilaitteet, jotka hyödyntävät kykyä säätää näiden menetelmien alkamista muuttamalla käytetyn magneettikentän voimakkuutta.”

Magnetoelektrinen poikkeutusvaste tarjoaa tehokkaan uuden työkalun magnetismin hallintaan ilman energiaintensiivisten magneettikenttien käyttöä. Tutkijoiden magnetismin manipuloinnin suuri joustavuus tekee löydöstä jännittävän vaihtoehdon kestävän teknologian sovelluksille.

Aiheesta aiemmin:

Epätavallista magneettista käyttäytymistä

Multiferroisista spintroniikan pelin muuttajia?

Uusi laji magnetismia