Ερευνητές στο Ινστιτούτο Paul Scherrer (PSI) απέδειξαν μια καινοτόμο μέθοδο για τον ελέγχο του μαγνητισμού σε υλικά με την χρήση ενεργειακά αποδοτικού ηλεκτρικού πεδίου. Η ανακάλυψη επικεντρώνεται σε υλικά γνωστά ως μαγνητοηλεκτρικά, τα οποία υπόσχονται εφαρμογές στις τεχνολογίες επόμενης γενιάς, όπως η αποθήκευση δεδομένων, η μετατροπή ενέργειας και οι ιατρικές συσκευές. Τα ευρήματα δημοσιεύονται στο περιοδικό Nature Communications.
Καθώς η τεχνητή νοημοσύνη και τα data centers καταναλώνουν όλο και περισσότερη ενέργεια, οι επιστήμονες αναζητούν πιο έξυπνες και οικολογικές τεχνολογίες. Εδώ μπαίνουν στο προσκήνιο τα μαγνητοηλεκτρικά υλικά — ειδικές ενώσεις όπου οι ηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες είναι συνδεδεμένες. Αυτή η σύνδεση επιτρέπει τον έλεγχο της μαγνήτισης μέσω ηλεκτρικών πεδίων, ανοίγοντας τον δρόμο για υπερ-ενεργειακά αποδοτικές συσκευές μνήμης και υπολογιστών.
Οξυσελενιούχος χαλκός: Ένα υλικό-κλειδί
Ένα τέτοιο μαγνητοηλεκτρικό υλικό είναι ο οξυσελενιούχος χαλκός (Cu₂OSeO₃), ένα κρυσταλλικό υλικό με ελαιώδες-πράσινο χρώμα. Σε χαμηλές θερμοκρασίες, τα σπιν των ατόμων διατάσσονται σε εξωτικά μαγνητικά πρότυπα, όπως έλικες και κώνους. Αυτά τα πρότυπα είναι πολύ μεγαλύτερα από το ατομικό πλέγμα και δεν είναι δεσμευμένα στη γεωμετρία του, γεγονός που τα καθιστά εξαιρετικά ευέλικτα.
Νετρόνια παρακολουθούν την εκτροπή των μαγνητικών δομών
Οι επιστήμονες του PSI απέδειξαν τώρα ότι ένα ηλεκτρικό πεδίο μπορεί να κατευθύνει αυτές τις μαγνητικές υφές μέσα στον οξυσελενιούχο χαλκό. Σε συνηθισμένα υλικά, οι μαγνητικές δομές – σχηματισμένες από τη συστροφή και ευθυγράμμιση των σπιν – είναι κλειδωμένες σε συγκεκριμένους προσανατολισμούς. Στον οξυσελενιούχο χαλκό όμως, με το κατάλληλο ηλεκτρικό δυναμικό, οι ερευνητές μπόρεσαν να τις εκτρέψουν και να τις επαναπροσανατολίσουν.
Για πρώτη φορά, η κατεύθυνση διάδοσης μιας μαγνητικής υφής μπορούσε να επαναπροσανατολιστεί συνεχώς μέσω ηλεκτρικού πεδίου — ένα φαινόμενο γνωστό ως μαγνητοηλεκτρική εκτροπή.
Για να μελετήσουν τις μαγνητικές δομές, η ομάδα χρησιμοποίησε τη δέσμη SANS-I στο Swiss Spallation Neutron Source SINQ, μια εγκατάσταση που χρησιμοποιεί δέσμες νετρονίων για να χαρτογραφήσει τη διάταξη και τον προσανατολισμό μαγνητικών δομών σε στερεά σώματα σε νανοκλίμακα. Ένα προσαρμοσμένο περιβάλλον δειγμάτων επέτρεψε στους ερευνητές να εφαρμόσουν υψηλό ηλεκτρικό πεδίο, ενώ ταυτόχρονα παρακολουθούσαν τη μαγνήτιση μέσα στο κρύσταλλο μέσω σκέδασης νετρονίων μικρής γωνίας (SANS).
«Η δυνατότητα να καθοδηγούνται τόσο μεγάλες μαγνητικές υφές με ηλεκτρικά πεδία δείχνει τι είναι δυνατό όταν δημιουργικά πειράματα συνδυάζονται με κορυφαίες ερευνητικές υποδομές», λέει ο Jonathan White, επιστήμονας δέσμης στο PSI.
«Ο λόγος που μπορούμε να ανιχνεύσουμε ένα τόσο διακριτικό φαινόμενο όπως η μαγνητοηλεκτρική εκτροπή είναι η εξαιρετική ανάλυση και ευελιξία της SANS-I».
Από τη θεμελιώδη φυσική στις τεχνολογικές εφαρμογές
Η νέα μαγνητοηλεκτρική απόκριση εκτροπής οδήγησε σε βαθύτερη διερεύνηση της υποκείμενης φυσικής. Τα ευρήματα ήταν εντυπωσιακά: οι μαγνητικές δομές δεν αντέδρασαν απλώς – παρουσίασαν τρεις διακριτές συμπεριφορές ανάλογα με την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου. Χαμηλά πεδία προκάλεσαν ήπια εκτροπή με γραμμική απόκριση, μεσαία πεδία επέφεραν πιο πολύπλοκη μη γραμμική συμπεριφορά, ενώ υψηλά πεδία προκάλεσαν δραματικές στροφές 90 μοιρών στην κατεύθυνση διάδοσης της μαγνητικής υφής.
«Καθεμία από αυτές τις καταστάσεις παρουσιάζει μοναδικά χαρακτηριστικά που θα μπορούσαν να ενσωματωθούν σε αισθητήρες και αποθηκευτικά μέσα», λέει ο Sam Moody, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο PSI και κύριος συγγραφέας της μελέτης.
«Μια ιδιαίτερα συναρπαστική δυνατότητα είναι οι υβριδικές συσκευές που χρησιμοποιούν την ικανότητα ελέγχου της εμφάνισης αυτών των καταστάσεων μεταβάλλοντας την ένταση του εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου».
Η μαγνητοηλεκτρική εκτροπή προσφέρει ένα ισχυρό νέο εργαλείο για τον έλεγχο της μαγνήτισης χωρίς εξαρτήσεις από ενεργοβόρα μαγνητικά πεδία. Το υψηλό επίπεδο ευελιξίας στον έλεγχο της μαγνήτισης καθιστά αυτή την ανακάλυψη μια ιδιαίτερα υποσχόμενη εξέλιξη για εφαρμογές στην βιώσιμη τεχνολογία.
Περισσότερες πληροφορίες: Samuel H. Moody et al, Ντετερμινιστικός έλεγχος νανομαγνητικών σπειροειδών τροχιών χρησιμοποιώντας ηλεκτρικό πεδίο, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-60288-1
Πληροφορίες περιοδικού: Nature Communications
Παρέχεται από το Ινστιτούτο Paul Scherrer