Magnetyzm, jedna z najstarszych technologii znanych człowiekowi, znajduje się w czołówce materiałów nowej ery, które mogą umożliwić bezstratną elektronikę nowej generacji i komputery kwantowe. Naukowcy pod kierunkiem Penn State i Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego odkryli nowe “pokrętło” do kontrolowania magnetycznego zachowania jednego obiecującego materiału kwantowego, a odkrycia mogą utorować drogę ku nowatorskim, wydajnym i ultraszybkim urządzeniom.
„Unikalny kwantowo-mechaniczny skład tego materiału – tellurek bizmutu manganu – pozwala mu przenosić bezstratne prądy elektryczne, co ma ogromne znaczenie technologiczne” – powiedział Hari Padmanabhan, który kierował badaniami jako doktorant w Penn State. „To, co czyni ten materiał szczególnie intrygującym, to fakt, że zachowanie to jest głęboko powiązane z jego właściwościami magnetycznymi. Tak więc pokrętło do kontroli magnetyzmu w tym materiale może również skutecznie kontrolować te bezstratne prądy”.
Badacze twierdzą, że tellurek bizmutu manganu, dwuwymiarowy materiał wykonany z ułożonych warstw cienkich jak atomy, jest przykładem topologicznego izolatora, egzotycznych materiałów, które jednocześnie mogą być izolatorami i przewodnikami elektryczności. Co ważne, ponieważ materiał ten jest również magnetyczny, prądy prowadzone wokół jego krawędzi mogą być bezstratne, co oznacza, że nie tracą one energii w postaci ciepła. Znalezienie sposobu na dostrojenie słabych wiązań magnetycznych między warstwami materiału może odblokować te funkcje.
Drobne drgania atomów lub fononów w materiale mogą być jednym ze sposobów, aby to osiągnąć, naukowcy poinformowali 8 kwietnia w czasopiśmie Nature Communications.
„Fonony to maleńkie drgania atomów – atomy tańczące razem w różnych wzorach, obecne we wszystkich materiałach” – powiedział Padmanabhan. „Pokazujemy, że te drgania atomowe mogą potencjalnie działać jako pokrętło do regulacji wiązania magnetycznego między warstwami atomowymi w tellurku bizmutu manganu”.
Naukowcy z Penn State zbadali materiał za pomocą techniki zwanej spektroskopią magnetooptyczną — strzelając laserem na próbkę materiału i mierząc kolor i intensywność odbitego światła, które niesie informacje o wibracjach atomowych. Zespół zaobserwował, jak wibracje zmieniały się wraz ze zmianą temperatury i pola magnetycznego.
Zmieniając pole magnetyczne, naukowcy zaobserwowali zmiany natężenia fononów. Naukowcy stwierdzili, że efekt ten wynika z fononów wpływających na słabe wiązanie magnetyczne między warstwami.
„Używając temperatury i pola magnetycznego do zmiany struktury magnetycznej materiału – podobnie jak magnes na lodówkę do namagnesowania kompasu igłowego – odkryliśmy, że natężenia fononów były silnie skorelowane ze strukturą magnetyczną” – powiedział Maxwell Poore, doktorant na UC San Diego i współautor badania. „Łącząc te odkrycia z obliczeniami teoretycznymi, wywnioskowaliśmy, że drgania atomowe modyfikują wiązania magnetyczne między warstwami tego materiału”.
Naukowcy z UC San Diego przeprowadzili eksperymenty, aby śledzić te drgania atomowe w czasie rzeczywistym. Jak twierdzą naukowcy, fonony oscylują szybciej niż bilion razy na sekundę, wielokrotnie szybciej niż współczesne chipy komputerowe. Na przykład komputerowy procesor 3,5 gigaherca działa z częstotliwością 3,5 miliarda razy na sekundę.
„Piękne w tym wyniku było to, że badaliśmy materiał przy użyciu różnych uzupełniających metod eksperymentalnych w różnych instytucjach i wszystkie one niezwykle zbiegały się do tego samego obrazu” – powiedział Peter Kim, doktorant na UC San Diego i współautor artykułu. .
Naukowcy twierdzą, że potrzebne są dalsze badania, aby bezpośrednio użyć pokrętła magnetycznego. Jeśli jednak uda się to osiągnąć, może to doprowadzić do powstania ultraszybkich urządzeń, które będą w stanie skutecznie i odwracalnie kontrolować bezstratne prądy.
„Głównym wyzwaniem w tworzeniu szybszych, potężniejszych procesorów elektronicznych jest to, że się nagrzewają” – powiedział Venkatraman Gopalan, profesor inżynierii materiałowej i fizyki w Penn State, były doradca Padmanabhana i współautor artykułu. „Ogrzewanie marnuje energię. Gdybyśmy mogli znaleźć skuteczne sposoby kontrolowania materiałów, w których panują bezstratne prądy, potencjalnie pozwoliłoby to nam wdrożyć je w przyszłych energooszczędnych urządzeniach elektronicznych”.
Innymi badaczami z Penn State byli: Vladimir Stoica, profesor nadzwyczajny, Huaiyu „Hugo” Wang, doktorant i Maxwell Wetherington, pracownik naukowy Instytutu Badań Materiałowych i Wydziału Materiałoznawstwa i Inżynierii; oraz Seng Huat Lee, adiunkt, oraz Zhiqiang Mao, profesor, Konsorcjum Kryształów 2D i Wydział Fizyki.
Wkład wnieśli także James Rondinelli, profesor, Danilo Puggioni, adiunkt naukowy, Mingqiang Gu, doktor habilitowany i Nathan Koocher, doktorant Northwestern University; Xijie Wang, Xiaozhe Shen i Alexander Reid, pracownicy naukowi, Narodowe Laboratorium Akceleratora SLAC; Richard Averitt, profesor Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego; Richard Schaller, pracownik naukowy, Argonne National Laboratory; oraz Aaron Lindenberg, profesor nadzwyczajny na Uniwersytecie Stanforda.
Finansowanie tych badań zapewniły Departament Energii Stanów Zjednoczonych, Narodowa Fundacja Nauki oraz Biuro Badań Wojskowych.