Massachusetts Institute of Technology
Magnetno stanje ponuja novo pot do „spintronskih“ spominskih naprav, ki bi lahko bile hitrejše in učinkovitejše od elektronskih.
Fiziki MIT so pokazali novo obliko magnetizma, ki bi jo lahko nekega dne izkoristili za izdelavo hitrejših, gostejših in energetsko manj potratnih „spintronskih“ pomnilniških čipov.
Novo magnetno stanje je mešanica dveh glavnih oblik magnetizma: feromagnetizma vsakdanjih magnetov za hladilnike in igle kompasa ter antiferomagnetizma, pri katerem imajo materiali magnetne lastnosti na mikroravni, vendar niso makroskopsko namagneteni.
vir: https://news.mit.edu/
Ekipa MIT je zdaj dokazala novo obliko magnetizma, imenovano „p-valovni magnetizem“.
Fiziki že dolgo opažajo, da imajo elektroni atomov v običajnih feromagnetih enako usmerjenost „spina“, kot da bi veliko drobnih kompasov kazalo v isto smer. Ta poravnava spina ustvarja magnetno polje, ki daje feromagnetiku njegov inherentni magnetizem. Elektroni, ki pripadajo magnetnim atomom v antiferomagnetih, imajo prav tako spin, čeprav se ti spini izmenjujejo, saj elektroni, ki krožijo okoli sosednjih atomov, poravnajo svoje spine antiparalelno drug drugemu. Skupaj se enaki in nasprotni spini izničijo in antiferomagnet ne kaže makroskopske magnetizacije.
Ekipa je odkrila nov p-valovni magnetizem v nikljevem jodidu (NiI2), dvodimenzionalnem kristalnem materialu, ki so ga sintetizirali v laboratoriju. Elektroni imajo podobno kot pri feromagnetih prednostno usmeritev spina, pri antiferomagnetih pa enake populacije nasprotnih spinov povzročajo neto izničenje. Vendar imajo spini na nikljevih atomih edinstven vzorec in v materialu tvorijo spiralaste konfiguracije, ki so zrcalna slika druga druge, podobno kot je leva roka zrcalna slika desne roke.
Poleg tega so raziskovalci ugotovili, da jim je ta spiralna konfiguracija spina omogočila „preklapljanje spina“: Glede na smer spiralnih spinov v materialu so lahko z majhnim električnim poljem v sorodni smeri zlahka obrnili levosučno spiralo spinov v desnosučno spiralo spinov in obratno.
Sposobnost preklapljanja spinov elektrona je bistvo „spintronike“, ki je predlagana alternativa običajni elektroniki. S tem pristopom je mogoče podatke zapisati v obliki elektronskega spina in ne njegovega elektronskega naboja, kar bi lahko omogočilo, da se v napravo zapakira za več velikosti več podatkov, za zapis in branje teh podatkov pa se porabi veliko manj energije.
Song in njegovi sodelavci so rezultate objavili 28. maja v reviji Nature [1]. Med soavtorji so Connor Occhialini, Batyr Ilyas, Emre Ergeçen, Nuh Gedik in Riccardo Comin, Rafael Fernandes z Univerze Illinois Urbana-Champaign ter sodelavci iz več drugih ustanov.
„Pokazali smo, da lahko to novo obliko magnetizma upravljamo z električno energijo,“ pravi Qian Song, raziskovalec v Laboratoriju za raziskave materialov pri MIT. „Ta preboj utira pot novemu razredu ultrahitrih, kompaktnih, energetsko učinkovitih in trajnih magnetnih spominskih naprav.“
Odkritje je nadgradnja dela, ki ga je Cominova skupina opravila leta 2022. Takrat je skupina raziskovala magnetne lastnosti istega materiala, nikljevega jodida. Na mikroskopski ravni je nikljev jodid podoben trikotni mreži nikljevih in jodovih atomov. Nikelj je glavna magnetna sestavina materiala, saj elektroni na nikljevih atomih kažejo spin, elektroni na jodovih atomih pa ne.
V teh poskusih je ekipa opazila, da so spini teh nikljevih atomov razporejeni v spiralnem vzorcu po celotni mreži materiala in da se ta vzorec lahko spiralno obrača v dveh različnih smereh.
Takrat Comin še ni vedel, da bi lahko ta edinstveni vzorec spinov atomov omogočil natančno preklapljanje spinov okoliških elektronov. Na to možnost je kasneje opozoril sodelavec Rafael Fernandes, ki ga je skupaj z drugimi teoretiki zanimala nedavno predlagana zamisel o novem, nekonvencionalnem magnetu „p-vala“, pri katerem bi se spini elektronov, ki se v snovi gibljejo v nasprotnih smereh, poravnali v nasprotne smeri.
Fernandes in njegovi sodelavci so ugotovili, da če spini atomov v snovi tvorijo geometrijsko spiralno razporeditev, ki jo je Comin opazil v nikljevem jodidu, bi to pomenilo uresničitev „p-valovnega“ magneta. Ko z električnim poljem preklopimo „ročnost“ spirale, moramo preklopiti tudi poravnavo spina elektronov, ki potujejo v isti smeri.
Ekipa je opazila p-valovni magnetizem v kosmičih nikljevega jodida, vendar le pri ultra nizkih temperaturah okoli 60 kelvinov.
„To je pod temperaturo tekočega dušika, ki ni praktična za uporabo,“ pravi Comin. »Toda zdaj, ko smo spoznali to novo stanje magnetizma, je naslednja meja iskanje materiala s temi lastnostmi pri sobni temperaturi. Potem lahko to uporabimo v spintronični napravi.«
To raziskavo so delno podprli Nacionalna znanstvena fundacija, Ministrstvo za energijo in Urad za znanstvene raziskave zračnih sil.
Viri:
1: https://www.nature.com/articles/s41586-025-09034-7
Povzeto po:
https://news.mit.edu/2025/physicists-observe-new-form-magnetism-0605
