Nelitahtikone atomeilla

Se, mitä kytket päälle ja pois päältä, palautuu yleensä alkuperäiseen tilaansa. Uudessa magneettisessa materiaalissa on kuitenkin kytkentä tehtävä neljä kertaa jotta atomin spin tekee täyden kierroksen.

Wienin teknillisessä yliopistossa löydetty hämmästyttävä vaikutus, jossa gadoliniumin ja mangaanin oksideihin perustuvasta kiteestä löydettiin atomikytkentä, jota täytyi vaihtaa edestakaisin kahdesti, kunnes alkuperäinen tila saavutettiin uudestaan. Tämä muistuttaa polttomoottorin kampiakselia, jolla ylös ja alas liike muunnetaan pyöriväksi liikkeeksi.

Tämä uusi ilmiö avaa mielenkiintoisia mahdollisuuksia materiaalifysiikassa ja tällaisten järjestelmien avulla voitaisiin jopa tallentaa informaatiota.

Yleensä materiaalien sähköiset ja magneettiset ominaisuudet erotetaan toisistaan. Sähköiset ominaisuudet perustuvat liikkuviin varauksenkantajiin kuten elektroneihin tai ioneihin.

Magneettiset ominaisuudet liittyvät atomien spineihin – hiukkasen sisäiseen kulmaliikemäärään, joka voi osoittaa tiettyyn suuntaan, aivan kuten Maan pyörimisakseli osoittaa tiettyyn suuntaan.

On kuitenkin myös materiaaleja, joissa sähköiset ja magneettiset ilmiöt liittyvät hyvin läheisesti tosiinsa. Professori Andrei Pimenov ja hänen tiiminsä Wienin teknillisen yliopiston Solid State Physics -instituutissa tutkivat niitä.

"Altistimme gadoliniumista, mangaanista ja hapesta tehdyn erikoismateriaalin magneettikenttään ja mittailimme, kuinka sen sähköinen polarisaatio muuttui", kertoo Pimenov. "Halusimme analysoida, kuinka materiaalin sähköisiä ominaisuuksia voidaan muuttaa magnetismilla. Ja yllättäen kohtasimme täysin odottamattoman käyttäytymisen."

"Se on erittäin merkittävää", sanoo Pimenov. "Suoritimme neljä eri askelta ja joka kerta materiaali muuttaa sisäisiä ominaisuuksiaan, mutta polarisaatio muuttuu vain kahdesti, joten alkutila saavutetaan vasta neljännen askeleen jälkeen."

Tarkempi tarkastelu paljasti, että ilmiöstä ovat vastuussa gadoliniumatomit: ne muuttavat spiniensä suuntaansa jokaisessa vaiheessa vain 90 astetta.

Teoriassa tällaisia materiaaleja voitaisiin käyttää informaation tallentamiseen: neljän tilan järjestelmän tallennuskapasiteetti olisi kaksi bittiä kytkentää kohti tavallisen yhden bitin sijaan. Vaikutus on kuitenkin erityisen kiinnostava myös anturitekniikan kannalta: tällä tavalla voitaisiin tuottaa esimerkiksi magneettipulssien laskuri, toteavat tutkijat yliopistonsa tiedotteessa.

Työ tarjoaa tärkeän uuden panoksen teoreettiseen tutkimukseen nimellä: Topologisesti suojattu magnetosähköinen kytkentä multiferroisissa.

Aiheesta aiemmin:

Magneettis-sähköinen materiaali

Topologiaa ja magneettisuutta