Ιστορική στιγμή για την επιστήμη: Οι φυσικοί εντοπίζουν για πρώτη φορά μια νέα μορφή μαγνητισμού

Φυσικοί από το MIT παρουσίασαν μια νέα μορφή μαγνητισμού που ίσως αξιοποιηθεί μελλοντικά για τη δημιουργία ταχύτερων, πιο πυκνών και με χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας «spintronic» τσιπ μνήμης.

Η νέα μαγνητική κατάσταση αποτελεί ένα συνδυασμό των δύο βασικών μορφών μαγνητισμού: του σιδηρομαγνητισμού που συναντάμε σε μαγνήτες και βελόνες πυξίδας, και του αντισιδηρομαγνητισμού, όπου υλικά έχουν μαγνητικές ιδιότητες σε μικροσκοπική κλίμακα αλλά δεν εμφανίζουν μακροσκοπικά μαγνητισμό.

Νέα μορφή μαγνητισμού

Τώρα, η ομάδα του MIT απέδειξε μια νέα μορφή μαγνητισμού, που ονομάζεται «p-wave magnetism».

Οι φυσικοί γνωρίζουν εδώ και καιρό ότι τα ηλεκτρόνια των ατόμων σε συνηθισμένους σιδηρομαγνήτες έχουν τον ίδιο προσανατολισμό «spin», σαν μικρές πυξίδες που δείχνουν την ίδια κατεύθυνση. Αυτή η ευθυγράμμιση των spin παράγει ένα μαγνητικό πεδίο, που δίνει στον σιδηρομαγνήτη τον μαγνητισμό του.

Στους αντισιδηρομαγνήτες, τα ηλεκτρόνια των μαγνητικών ατόμων έχουν επίσης spin, αλλά αυτά εναλλάσσονται, με τα ηλεκτρόνια να ευθυγραμμίζονται αντικρουόμενα με τα γειτονικά τους. Η συνολική επίδραση των ίσων και αντίθετων spin ακυρώνεται και ο αντισιδηρομαγνήτης δεν εμφανίζει μακροσκοπικό μαγνητισμό.

Η ομάδα ανακάλυψε τον νέο p-wave μαγνητισμό στο ιωδιούχο νικέλιο (NiI₂), ένα δισδιάστατο κρυσταλλικό υλικό που συνέθεσαν στο εργαστήριο. Όπως και στον σιδηρομαγνήτη, τα ηλεκτρόνια παρουσιάζουν προτιμώμενο προσανατολισμό spin, και όπως και στον αντισιδηρομαγνήτη, οι αντίθετοι spin ακυρώνονται. Ωστόσο, τα spin στα άτομα νικελίου σχηματίζουν ένα μοναδικό σπειροειδές μοτίβο, με συμμετρικές «εικονοκατοπτρικές» διαμορφώσεις, όπως το αριστερό και το δεξί χέρι.

Επιπλέον, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι αυτή η σπειροειδής διαμόρφωση spin τους επέτρεψε να πραγματοποιήσουν «αντιστροφή spin»: ανάλογα με την κατεύθυνση του σπειροειδούς, μπορούσαν να εφαρμόσουν ένα μικρό ηλεκτρικό πεδίο για να μετατρέψουν μια αριστερόστροφη σπείρα σε δεξιόστροφη, και το αντίστροφο.

Η δυνατότητα εναλλαγής spin ηλεκτρονίων βρίσκεται στην καρδιά των spintronics, μιας εναλλακτικής προσέγγισης στην κλασική ηλεκτρονική. Με αυτή την τεχνική, τα δεδομένα αποθηκεύονται μέσω του spin του ηλεκτρονίου και όχι του ηλεκτρικού του φορτίου, επιτρέποντας πιθανώς πολύ μεγαλύτερη πυκνότητα δεδομένων με ελάχιστη ενέργεια ανάγνωσης και εγγραφής.

«Δείξαμε ότι αυτή η νέα μορφή μαγνητισμού μπορεί να ελεγχθεί ηλεκτρικά», λέει ο Qian Song, ερευνητής στο Materials Research Laboratory του MIT.

«Αυτό το επίτευγμα ανοίγει τον δρόμο για μια νέα κατηγορία εξαιρετικά γρήγορων, συμπαγών, ενεργειακά αποδοτικών και μη πτητικών μαγνητικών συσκευών μνήμης».

Ο Song και οι συνεργάτες του δημοσίευσαν τα αποτελέσματά τους στις 28 Μαΐου στο περιοδικό Nature. Συγγραφείς από το MIT είναι οι Connor Occhialini, Batyr Ilyas, Emre Ergeçen, Nuh Gedik και Riccardo Comin, μαζί με τον Rafael Fernandes από το Πανεπιστήμιο του Ιλινόις στην Ουρμπάνα-Σαμπέιν και άλλους συνεργάτες από διάφορα ιδρύματα.

Σύνδεση με προηγούμενη έρευνα

Η ανακάλυψη επεκτείνει την έρευνα της ομάδας του Comin από το 2022, όπου διερεύνησαν τις μαγνητικές ιδιότητες του ίδιου υλικού. Σε μικροσκοπικό επίπεδο, το ιωδιούχο νικέλιο μοιάζει με τριγωνική διάταξη νικελίου και ιωδίου. Το νικέλιο είναι το βασικό μαγνητικό στοιχείο, καθώς τα ηλεκτρόνιά του παρουσιάζουν spin, σε αντίθεση με το ιώδιο.

Η ομάδα είχε παρατηρήσει τότε ότι τα spin των ατόμων νικελίου σχημάτιζαν ένα σπειροειδές μοτίβο που μπορούσε να έχει δύο διαφορετικούς προσανατολισμούς.

Ο Rafael Fernandes, θεωρητικός συνεργάτης, αναγνώρισε πως αν τα spin σχηματίζουν σπειροειδή διάταξη, αυτό αποτελεί ένδειξη ύπαρξης «p-wave» μαγνητισμού, και όταν εφαρμοστεί ηλεκτρικό πεδίο για την αλλαγή του «χειρισμού» της σπείρας, θα πρέπει να αλλάζει και η ευθυγράμμιση του spin των ηλεκτρονίων που κινούνται στην ίδια κατεύθυνση.

«Ήταν μια εντελώς νέα ιδέα τότε και αποφασίσαμε να τη δοκιμάσουμε πειραματικά γιατί συνειδητοποιήσαμε ότι το ιωδιούχο νικέλιο ήταν ιδανικός υποψήφιος για την επίδειξη αυτού του φαινομένου p-wave», λέει ο Comin.

Ρεύμα spin

Στη νέα μελέτη, η ομάδα συνέθεσε μονήρεις κρυσταλλικούς νιφάδες του υλικού εναποθέτοντας σκόνες των στοιχείων πάνω σε κρυσταλλικό υπόστρωμα μέσα σε φούρνο υψηλής θερμοκρασίας. Το αποτέλεσμα είναι στρώσεις μικροσκοπικής τριγωνικής διάταξης.

«Βγαίνουν από τον φούρνο δείγματα φαρδιά και λεπτά, σαν κράκερ», λέει ο Comin. «Στη συνέχεια, τα απολεπίζουμε, παίρνοντας ακόμα μικρότερες νιφάδες μερικών μικρών και λίγων δεκάδων νανομέτρων πάχους».

Για να επιβεβαιώσουν ότι τα spin των ηλεκτρονίων αλλάζουν σύμφωνα με τη σπειροειδή δομή, εφάρμοσαν φως κυκλικά πολωμένο (με ηλεκτρικό πεδίο που περιστρέφεται δεξιόστροφα ή αριστερόστροφα) στα δείγματα. Αν το φως ταίριαζε με την ευθυγράμμιση των spin, τότε έπρεπε να παραχθεί χαρακτηριστικό σήμα. Και όντως, αυτό παρατήρησαν. Η κατεύθυνση του spin των ηλεκτρονίων σχετιζόταν με τον «χειρισμό» του φωτός, ένδειξη ύπαρξης p-wave μαγνητισμού.

Έλεγχος με ηλεκτρικό πεδίο

Προχώρησαν σε εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου σε διαφορετικές κατευθύνσεις μέσα στο υλικό και διαπίστωσαν ότι όταν το πεδίο ευθυγραμμιζόταν με τη σπείρα, τότε τα ηλεκτρόνια κινούνταν με το ίδιο spin, παράγοντας ρεύμα spin.

«Με ένα τέτοιο ρεύμα μπορείς να κάνεις ενδιαφέροντα πράγματα σε επίπεδο συσκευών· για παράδειγμα, να ελέγχεις μαγνητικούς τομείς για την εγγραφή bit», εξηγεί ο Comin. «Αυτά τα spintronic φαινόμενα είναι πιο αποδοτικά από την κλασική ηλεκτρονική γιατί μετακινούν μόνο τα spin, όχι τα φορτία. Άρα δεν υπάρχουν φαινόμενα απώλειας λόγω θερμότητας, που είναι και ο λόγος που ζεσταίνονται οι υπολογιστές».

«Χρειαζόμαστε μόνο ένα μικρό ηλεκτρικό πεδίο για να ελέγξουμε την εναλλαγή του μαγνητισμού», προσθέτει ο Song. «Οι p-wave μαγνήτες μπορούν να εξοικονομήσουν πέντε τάξεις μεγέθους ενέργειας. Που είναι τεράστιο».

«Είμαστε ενθουσιασμένοι που βλέπουμε αυτά τα αιχμηρά πειράματα να επιβεβαιώνουν την πρόβλεψή μας για καταστάσεις p-wave με πολωμένα spin», λέει ο Libor Šmejkal, επικεφαλής της Ομάδας Έρευνας Max Planck στη Δρέσδη, που πρότεινε τη θεωρία αλλά δε συμμετείχε στη μελέτη.

«Η ηλεκτρικά εναλλασσόμενη p-wave πόλωση spin δείχνει τις πολλά υποσχόμενες εφαρμογές αυτών των ανορθόδοξων μαγνητικών καταστάσεων».

Η ομάδα παρατήρησε τον p-wave μαγνητισμό στο ιωδιούχο νικέλιο μόνο σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, περίπου 60 kelvin.

«Αυτό είναι κάτω από τη θερμοκρασία του υγρού αζώτου, οπότε δεν είναι πρακτικό για εφαρμογές», λέει ο Comin. «Αλλά τώρα που κατανοήσαμε αυτή τη νέα κατάσταση μαγνητισμού, το επόμενο βήμα είναι να βρούμε υλικό που εμφανίζει τα ίδια φαινόμενα σε θερμοκρασία δωματίου. Τότε μπορούμε να τα αξιοποιήσουμε σε συσκευές spintronics».

Πληροφορίες