Nowy materiał magnetyczny z wirującymi spinami. Odkrycie, które może zmienić elektronikę i komputery kwantowe

Magnetyzm w skali atomowej

Magnetyzm, który znamy z codziennych magnesów, bierze się z uporządkowania tzw. spinów atomowych. Spin można wyobrazić sobie jako maleńką strzałkę wskazującą kierunek pola magnetycznego pojedynczego atomu. W klasycznych magnesach te strzałki ustawiają się zgodnie w tym samym albo przeciwnym kierunku tworząc proste i przewidywalne wzory.

Nowy materiał zachowuje się zupełnie inaczej. Zamiast prostego uporządkowania, spiny tworzą powtarzalne wiry i skręcone struktury, zwane teksturami spinowymi. To właśnie one nadają materiałowi jego nietypowe i bardzo obiecujące właściwości.

Frustracja, która prowadzi do odkryć

Kluczem do sukcesu okazało się połączenie dwóch bardzo podobnych chemicznie związków, które różniły się jednak budową krystaliczną. To „niedopasowanie” struktur wywołało tzw. frustrację strukturalną stan, w którym żaden z układów nie jest w pełni stabilny.

Naukowcy przypuszczali, że taka frustracja może przenieść się również na poziom magnetyczny. I mieli rację. Gdy kryształy się uformowały, okazało się, że spiny atomowe nie ustawiają się klasycznie, lecz zaczynają się skręcać, tworząc wirujące wzory przypominające miniaturowe cyklony.

Te struktury są zbliżone do tzw. skyrmionów jednych z najbardziej fascynujących obiektów współczesnej fizyki materii skondensowanej.

Dlaczego skyrmiony są tak ważne?

Skyrmiony mają jedną ogromną zaletę: do ich kontrolowania potrzeba bardzo mało energii. To sprawia, że materiały, w których występują, są idealnymi kandydatami do nowej generacji urządzeń elektronicznych. W praktyce oznacza to większą gęstość zapisu danych na dyskach twardych, mniejsze zużycie energii w układach elektronicznych, niższe koszty chłodzenia w centrach danych i superkomputerach. Co więcej, złożone struktury magnetyczne mogą odegrać kluczową rolę w rozwoju komputerów kwantowych odpornych na błędy, czyli takich, które potrafią chronić niezwykle delikatną informację kwantową przed zakłóceniami.

Od „polowania” do projektowania materiałów

Dotychczas badania nad skyrmionami przypominały raczej poszukiwania szczęścia, naukowcy sprawdzali znane materiały, licząc, że trafią na odpowiednie właściwości. Zespół z Florida State University zaproponował inne podejście: projektowanie materiałów od podstaw, w oparciu o zrozumienie relacji między chemią, strukturą kryształu i magnetyzmem.

Celem jest zdolność przewidywania: jeśli połączymy konkretne składniki w określony sposób, otrzymamy materiał o z góry zaplanowanych właściwościach magnetycznych. Nowe podejście otwiera drogę do tworzenia tańszych, łatwiejszych w produkcji materiałów o zaawansowanych właściwościach magnetycznych. To z kolei może przyspieszyć rozwój technologii informatycznych i kwantowych oraz uczynić je bardziej dostępnymi i energooszczędnymi.

Źródło: Florida State University