Η δυνατότητα εναλλαγής της μαγνητικής κατάστασης ενός υλικού, δηλαδή η αλλαγή προσανατολισμού των μαγνητικών του ροπών, χρησιμοποιώντας μόνο ηλεκτρικό ρεύμα, θα μπορούσε να ανοίξει νέους δρόμους για την αποδοτική αποθήκευση δεδομένων σε σκληρούς δίσκους και άλλες μαγνητικές μνήμες. Αν και ο ηλεκτρικός έλεγχος του μαγνητισμού αποτελεί διακαή στόχο εδώ και χρόνια, παραμένει δύσκολη πρόκληση, όπως αναλύει η Ingrid Fadelli.
Ανακάλυψη του ηλεκτρικού ελέγχου του αλτερμαγνητισμού
Ερευνητές από το Southern University of Science and Technology (SUSTech) στην Κίνα και το Πανεπιστήμιο του Πεκίνου, με επικεφαλής τους καθηγητές Haizhou Lu και X. C. Xie, απέδειξαν πρόσφατα τον ηλεκτρικό έλεγχο μιας ιδιαίτερης μορφής μαγνητισμού, γνωστής ως αλτερμαγνητισμός, η οποία ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά το 2022.
Η εργασία τους, που δημοσιεύτηκε στο Physical Review Letters, μπορεί να έχει σημαντικές εφαρμογές στην ανάπτυξη τεχνολογιών βασισμένων σε αλτερμαγνητικά υλικά που μπορούν να ελέγχονται με ηλεκτρικά ρεύματα, χωρίς να απαιτείται εξωτερικό μαγνητικό πεδίο.
«Η χειραγώγηση του μαγνητισμού μόνο με ηλεκτρισμό είναι μακροχρόνια πρόκληση λόγω της μεγάλης σημασίας της για βιομηχανικές εφαρμογές, όπως η αποθήκευση υψηλής χωρητικότητας και χαμηλής κατανάλωσης», δήλωσε ο πρώτος συγγραφέας της μελέτης, Yiyuan Chen, στο Phys.org.
«Ο πρόσφατα ανακαλυφθείς αλτερμαγνητισμός, που συνδυάζει πλεονεκτήματα του σιδηρομαγνητισμού και του αντισιδηρομαγνητισμού, όπως η εύκολη ανάγνωση και η λειτουργία σε υψηλές συχνότητες, μπορεί να ανοίξει νέους δρόμους. Το άρθρο μας είναι το πρώτο που αποδεικνύει ότι ο αλτερμαγνητισμός μπορεί να εναλλάσσεται με καθαρό ηλεκτρικό ρεύμα».
Τι είναι ο αλτερμαγνητισμός και γιατί είναι σημαντικός
Το 2022, επιστήμονες ταυτοποίησαν ένα νέο είδος μαγνητισμού, τον αλτερμαγνητισμό, ο οποίος χαρακτηρίζεται από μηδενική καθαρή μαγνήτιση, συμμετρικά προστατευμένο διαχωρισμό σπιν και μοναδικά μοτίβα συμμετρίας που επηρεάζουν τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων. Καθώς η ηλεκτρική εναλλαγή των κύριων μορφών μαγνητισμού έχει αποδειχθεί δύσκολη, οι ερευνητές αποφάσισαν να επικεντρωθούν στον αλτερμαγνητισμό.
Βασική προϋπόθεση για την αλλαγή της μαγνητικής διάταξης ενός υλικού είναι η λεγόμενη παραβίαση της συμμετρίας παραμορφώσεων (parity symmetry), δηλαδή η απουσία συμμετρίας ως προς την αναστροφή των χωρικών συντεταγμένων. Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι ένα υλικό που παραβιάζει φυσικά αυτή τη συμμετρία είναι το διπλό στρώμα τελλουριούχου μαγγανίου (MnTe), ένα αλτερμαγνητικό υλικό που αποτελείται από άτομα Mn και Te διατεταγμένα με τη σειρά Te-Mn-Te-Mn-Te.
Πώς κατάφεραν την ηλεκτρική εναλλαγή
Για να επιτύχουν την ηλεκτρική εναλλαγή του αλτερμαγνητισμού σε δείγματα διπλού στρώματος MnTe με τη συγκεκριμένη διάταξη, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν συνδυασμό μεθόδων ανάλυσης, υπολογιστικής φυσικής και προσομοιώσεων. Τα αποτελέσματά τους ήταν πολλά υποσχόμενα, δείχνοντας ότι αυτό το υλικό θα μπορούσε να είναι ιδανική πλατφόρμα για τον ηλεκτρικό έλεγχο του μαγνητισμού χωρίς μαγνητικά πεδία.
«Χρησιμοποιούμε ανάλυση συμμετρίας, πρώτης τάξης υπολογισμούς και προσομοιώσεις μαγνητικής δυναμικής με την εξίσωση Landau-Lifshitz-Gilbert», εξήγησε ο Chen.
«Η εργασία μας πρωτοπορεί στην καθαρά ηλεκτρική εναλλαγή του αλτερμαγνητισμού, ανοίγοντας νέο δρόμο για τις συσκευές αποθήκευσης πληροφοριών. Θα εμπνεύσει επίσης περαιτέρω διερευνήσεις ασύμβατων μορφών μαγνητισμού και πιθανών εφαρμογών τους.»
Μελλοντικές εφαρμογές σε ηλεκτρονικές συσκευές
Η πρόσφατη μελέτη της ομάδας Chen θα μπορούσε σύντομα να ανοίξει τον δρόμο για περισσότερες έρευνες γύρω από τον ηλεκτρικό έλεγχο του αλτερμαγνητισμού σε διατάξεις με διπλό στρώμα MnTe. Στο μέλλον, αυτή η τεχνολογία μπορεί να συμβάλει στην ανάπτυξη νέων λύσεων αποθήκευσης δεδομένων ή άλλων ηλεκτρονικών συσκευών βασισμένων σε αλτερμαγνητικά υλικά.
«Τώρα σκοπεύουμε να εφαρμόσουμε τη θεωρία μας σε περισσότερες μη συμβατικές μορφές μαγνητισμού για να πετύχουμε τον ντετερμινιστικό τους έλεγχο», πρόσθεσε ο Chen. «Αναζητούμε επίσης πιο ευανάγνωστα σήματα από μη συμβατικούς μαγνητισμούς, ώστε να ενισχύσουμε περαιτέρω τη χρήση τους σε ηλεκτρονικές συσκευές».
Περισσότερες πληροφορίες: Yiyuan Chen et al, Ηλεκτρική Διακοπή του Αλτερμαγνητισμού, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/zm5y-vy41
Πληροφορίες περιοδικού: Επιστολές Φυσικής Ανασκόπησης
