Kuinka saada magneetit toimimaan kuin grafeeni

Illinois Graingerin insinöörit ovat löytäneet yllättävän yhteyden grafeenin elektronien ja tiettyjen magneettisten kiteiden magnonisten spin-aaltojen välillä.

Tällaisella analogialla on tärkeitä vaikutuksia radiotaajuusteknologiaan, ja se tarjoaa uuden linssin, jonka läpi molempia järjestelmiä voidaan tutkia.

Kaksiulotteisten materiaalien sähköisillä ja magneettisilla ominaisuuksilla on molemmilla vahva potentiaali teknologisiin sovelluksiin. Tutkijat ovat pitkään olettaneet, että ne ovat erillisiä ilmiöitä, mutta Illinois Graingerin insinöörit ovat osoittaneet, että niillä on yhteinen matemaattinen kieli.

Äskettäin julkaistussa artikkelissa Illinoisin tiimi osoitti, kuinka kaksiulotteisia magneettisia järjestelmiä voidaan suunnitella noudattamaan samoja yhtälöitä kuin liikkuvilla elektroneilla kaksiulotteisessa grafeenimateriaalissa.

Matemaattinen kartoitus ei ainoastaan vaikuta radiotaajuusteknologiaan, vaan se myös avaa oven uudelle menetelmälle tällaisten järjestelmien tutkimiseksi ja suunnittelemiseksi.

”Ei ole lainkaan ilmeistä, että 2D-elektroniikan ja 2D-magneettisten käyttäytymismallien välillä on analogia, ja olemme edelleen hämmästyneitä siitä, kuinka hyvin tämä analogia toimii”, sanoo tutkimuksen pääkirjoittaja Bobby Kaman. ”2D-elektroniikkaa on tutkittu erittäin hyvin grafeenin löytämisen ansiosta, ja nyt olemme osoittaneet, että tämä ei niin hyvin tutkittu materiaaliluokka noudattaa samaa perusfysiikkaa.”

”Grafeeni on ainutlaatuinen, koska sen johtavuuselektronit järjestäytyvät massattomiksi aalloiksi, joten olin utelias, saisiko magnonisen materiaalin fyysisen geometrian muuttaminen grafeenin näköiseksi sen toimimaan grafeenin tavoin”, Kaman sanoi. ”Ajattelin, että sillä olisi ehkä muutamia grafeenin kaltaisia ominaisuuksia, mutta analogia oli paljon syvempi ja rikkaampi kuin odotin.”

Kaman ja hänen työtoverinsa tutkivat järjestelmää, jossa mikroskooppiset magneettiset momentit eli "spinit" ovat järjestäytyneet ohueksi kalvoksi, jonka pinnalla on reikiä kuusikulmaisessa kuviossa. Laskemalla etenevien häiriöiden eli spinaaltojen energiat tutkijat havaitsivat, että ne käyttäytyvät samalla tavalla kuin grafeenin elektronit.

Järjestelmä osoittautui kuitenkin paljon monimutkaisemmaksi kuin tutkijoiden tavoittelema yksinkertainen analogia. He löysivät yhdeksän erillistä energiavyöhykettä, mikä mahdollisti useampien käyttäytymismallien samanaikaisen esiintymisen. Yksi tällainen on grafeenin elektroniaalloille analogiset massattomat spinaallot, mutta järjestelmä mahdollistaa myös matalan dispersion vyöhykkeet, jotka vastaavat paikallisia tiloja ja jopa topologisia vaikutuksia vyöhykkeiden välillä.

Tutkijat huomauttivat, että heidän tutkimallaan järjestelmällä olisi merkittäviä teknologisia vaikutuksia perustutkimuksen lisäksi. Heillä on mielessään erityisesti sovellus langattomissa ja matkapuhelinverkoissa käytettävään mikroaaltotekniikkaan.

”Yksi tällainen laite on ’mikroaaltoinen kiertoelin’, joka sallii mikroaaltoradiosignaalien etenemisen vain yhteen suuntaan”, Hoffmann selitti. ”Ne ovat yleensä kookkaita, mutta tutkimamme magnoninen järjestelmä voisi mahdollistaa mikroaaltolaitteiden pienentämisen mikrometrin kokoon.”

Aiheesta aiemmin:

Magnoniikkaa kolmanteen ulottuvuuteen

Jään ja veden kaltaisia tiloja erittäin ohuessa materiaalissa