Παρά ό,τι υπονοεί μια συγκεκριμένη εταιρεία ντόνατς, ο κόσμος στην πραγματικότητα κινείται από τον μαγνητισμό.
Είναι κρίσιμος για την παραγωγή ενέργειας, την κατασκευή (ηλεκτρικών) οχημάτων και την ισχύ σωτήριων ιατρικών τεχνολογιών, όπως τιτάνιες καρδιές τύπου cyberpunk με αιωρούμενους ρότορες.
Ο μαγνητισμός εμφανίζεται σε πολλές εκδοχές, αλλά δύο είναι εύκολα κατανοητές.
Στον σιδηρομαγνητισμό, οι μαγνητικές ροπές (μικροσκοπικά πεδία) των σωματιδίων ενός υλικού ευθυγραμμίζονται προς μια κατεύθυνση, δημιουργώντας ισχυρότερο μαγνητικό πεδίο – το κλασικό δίπολο βορρά-νότου ενός μαγνήτη ψυγείου. Αυτό όμως παράγει περιπλανώμενα πεδία που μπορούν να παρεμβάλλονται σε τσιπ υπολογιστών και άλλα ηλεκτρονικά.
Στον αντισιδηρομαγνητισμό, οι μαγνητικές ροπές δείχνουν σε αντίθετες κατευθύνσεις και αλληλοαναιρούνται, οπότε δεν υπάρχει συνολικός βορράς ή νότος. Έτσι εξαλείφονται τα περιπλανώμενα πεδία, αλλά και οι ελκτικές ιδιότητες που μπορεί να κάνουν ένα υλικό χρήσιμο.
Αν μπορούσε κανείς να συνδυάσει τα καλύτερα και των δύο κόσμων σε ένα ευέλικτο και λεπτό υλικό, αυτό θα ήταν σημαντικό σε μια εποχή συνεχούς σμίκρυνσης των ηλεκτρομαγνητικών τεχνολογιών.
Απροσδόκητα, επιστήμονες δηλώνουν ότι το πέτυχαν: κατέγραψαν την πρώτη πειραματική ένδειξη altermagnetism – ενός πρόσφατα επιβεβαιωμένου τύπου μαγνητισμού – σε ένα υλικό τύπου «σάντουιτς» με πολλές μελλοντικές εφαρμογές.
Σε εργασία που δημοσιεύθηκε στο Nature Communications, ομάδα φυσικών δημιούργησε κρυστάλλους ενός υλικού που ονομάζεται Co₁/₄TaSe₂. Ακούγεται αφηρημένο, αλλά αποτελείται μόνο από τρία στοιχεία: κοβάλτιο, ταντάλιο και σελήνιο (στις αντίστοιχες αναλογίες τους).
Ο συνδυασμός τους με τρόπο χρήσιμο πειραματικά απαίτησε «ψήσιμο» σε πάνω από 900 βαθμούς Κελσίου (1.700 βαθμούς Φαρενάιτ) για δύο εβδομάδες.
«These materials are distinguished from more conventional antiferromagnets by their ability to generate and detect spin currents without the negative effect of producing stray fields», εξηγεί ο Madhab Neupane, καθηγητής φυσικής στο University of Central Florida (UCF) και επικεφαλής αλληλογραφίας της μελέτης.
«This new property makes them very well positioned for use in many different applications – including spintronics, ultrafast memory devices, terahertz networks and energy-efficient electronics».
Το Co₁/₄TaSe₂, που δεν είναι νέο στη βιβλιογραφία, αποτελείται από στρώσεις τανταλίου (μέταλλο) και σεληνίου (μη μέταλλο).
Ανάμεσα σε αυτές τις στρώσεις, οι ερευνητές διέσπειραν άτομα του μαγνητικού μετάλλου κοβαλτίου, δημιουργώντας δομικά ένα κβαντικό «παιχνιδότοπο» που μπορεί να επηρεάζει τα ηλεκτρόνια καθώς διακινούνται.
Για να επιβεβαιώσουν το altermagnetism, χρησιμοποίησαν μια μέθοδο κβαντικού μοντελοποίησης και φασματοσκοπία φωτοεκπομπής με ανάλυση γωνίας (ARPES).
Η ARPES ουσιαστικά «χτυπά» το υλικό με μια δέσμη φωτός, προκαλώντας την εκπομπή ενός ηλεκτρονίου, ώστε οι επιστήμονες να μετρήσουν την ενέργεια και την κατεύθυνσή του.
Έτσι αποκάλυψαν τη ζωνική δομή ενέργειας του υλικού, δηλαδή τον «χάρτη» των ενεργειακών καταστάσεων όπου τα ηλεκτρόνια μπορούν ή δεν μπορούν να υπάρξουν.
Παρατήρησαν ότι η δομή αυτή ήταν διχοτομημένη και πως οι διχοτομημένες καταστάσεις έφεραν αντίθετες πολώσεις spin, δηλαδή τον προσανατολισμό του σπιν ενός στοιχειώδους σωματιδίου – πρακτικά, «up» ή «down».
Τα ηλεκτρόνια φυσικά δεν περιστρέφονται όπως η Γη γύρω από τον άξονά της ή όπως ένα επταώροφο σάντουιτς γυρίζει στο νύχι του Scooby-Doo πριν καταβροχθιστεί. Πρόκειται για μαθηματικά ορισμένη στροφορμή.
Είναι όμως θεμελιώδης κβαντική ιδιότητα και, το σημαντικότερο, οι ερευνητές έδειξαν ότι το Co₁/₄TaSe₂ διαχωρίζει τα ηλεκτρόνια με βάση το σπιν τους.
Αυτό έχει κρίσιμη σημασία σε σχέση με τους δύο προαναφερθέντες τύπους μαγνητισμού.
Ο σιδηρομαγνητισμός είναι καλός στο να «σπάει» τα σπιν, επειδή οι μαγνητικές ροπές δείχνουν στην ίδια κατεύθυνση, αλλά παράγει περιπλανώμενα πεδία.
Ο αντισιδηρομαγνητισμός δεν παράγει περιπλανώμενα πεδία, όμως δεν είναι αποτελεσματικός διαχωριστής σπιν, επειδή οι μαγνητικές ροπές δείχνουν σε αντίθετες κατευθύνσεις.
Ο συνδυασμός αυτών των ιδιοτήτων μπορεί να καταστήσει αυτό το εύκολα ρυθμίσιμο υλικό εξαιρετικό μέσο για τη διερεύνηση μαγνητικών φαινομένων.
«Evidence for altermagnetism in a versatile materials platform opens a lot of new possibilities», σημειώνει ο Milo Sprague, πειραματικός κβαντικός φυσικός στο UCF και κύριος συγγραφέας της μελέτης.
«There’s currently a lot of debate in altermagnetic theory about how the spin-polarized electronic states interact with other magnetic phenomena. Now we have a material that we can easily modify to explore these new questions», προσθέτει ο Sprague.
Για παράδειγμα, οι απαρχές του altermagnetism είναι φαινομενικές. Απαιτείται περαιτέρω έρευνα για να φανεί πώς υπερισχύουν έναντι άλλων μορφών μαγνητισμού, καθώς οι αλληλεπιδράσεις των ηλεκτρονίων ανταγωνίζονται μεταξύ τους.
Σε πρακτικό επίπεδο, ενώ το σύγχρονο υλικό μεταφέρει φυσικά ηλεκτρόνια για την επεξεργασία δεδομένων, η αναδυόμενη spintronics θα μπορούσε να χειρίζεται πληροφορία μεταφέροντας τις καταστάσεις σπιν των ηλεκτρονίων μέσα από ένα «ρεύμα» – σαν το κύμα σε ένα στάδιο – αυξάνοντας την αποθήκευση δεδομένων και μειώνοντας τις πιθανότητες υποκλοπής.
Χάρη στην ευελιξία και τη μικρή κλίμακα τέτοιων στρωματοποιημένων υλικών, το τεχνολογικό μας μέλλον μπορεί να αποδειχθεί μικροσκοπικό και σε σχήμα σάντουιτς.
Και γιατί όχι; Τα σάντουιτς σπάνια μας απογοήτευσαν.
Όπως το θέτει ο Neupane, «If this approach proves viable, then layered altermagnets will be at the forefront of electronics development».
The research has been published in Nature Communications.
This article was fact-checked by Fiona MacDonald and edited by Fiona MacDonald. While we pride ourselves on our process, we are only human. If you spot a mistake, please let us know.
Το παρόν κείμενο δημιουργήθηκε με τη χρήση τεχνητής νοημοσύνης.
