Reverzní systém dokáže malým napětím obrátit magnetickou orientaci částic. Mohl by vést k rychlejšímu ukládání dat

Datum 20.09.2021

Šipky označují magnetizace polí atomů gadolinia (červená) a kobaltu (modrá) v mřížce. Přiložením napětí k elektrodám v horní části (žluté plošky) se do magnetického materiálu vloží vodík, který změní relativní velikost magnetizací pod ním a převrátí směr celkového magnetického pole v této oblasti. Ilustrace: David L. Chandler, MIT

Většina magnetů, se kterými se denně setkáváme, je vyrobena z ferimagnetických materiálů. Magnetické osy většiny atomů v těchto materiálech jsou seřazeny ve stejném směru, takže jejich společná síla je dostatečná, aby vytvářela významnou přitažlivost. Tyto materiály tvoří základ většiny zařízení pro ukládání dat v dnešním světě špičkových technologií.

Méně obvyklé jsou magnety na bázi ferimagnetických materiálů typu “i”. U nich jsou některé atomy uspořádány v jednom směru, ale jiné jsou uspořádány přesně opačně. Výsledkem je, že celkové magnetické pole, které vytvářejí, závisí na rovnováze mezi oběma typy – pokud je více atomů nasměrovaných jedním směrem než druhým, vytváří tento rozdíl čisté magnetické pole v daném směru.

Vzhledem k tomu, že magnetické vlastnosti ferimagnetických materiálů jsou silně ovlivňovány vnějšími silami, měly by být ferimagnetické materiály v zásadě schopny vyrábět datová úložiště nebo logické obvody, které jsou mnohem rychlejší a dokážou na daný prostor vměstnat více dat než dnešní běžné feromagnety. Doposud však neexistoval jednoduchý, rychlý a spolehlivý způsob, jak přepínat orientaci těchto magnetů, aby se v zařízení pro ukládání dat překlopila z 0 na 1.

Vědci z MIT a dalších univerzit vyvinuli takovou metodu, která umožňuje rychle přepínat magnetickou polaritu ferimagnetu o 180 stupňů pomocí malého přiloženého napětí. Podle výzkumníků by tento objev mohl nastartovat novou éru ferimagnetických logických zařízení a zařízení pro ukládání dat.

Výsledky byly zveřejněny v časopise Nature Nanotechnology v článku, jehož autory jsou postdoktorand Mantao Huang, profesor materiálové vědy a technologie na MIT Geoffrey Beach a profesor jaderné vědy a technologie Bilge Yildiz spolu s dalšími 15 odborníky z MIT a z Minnesoty, Německa, Španělska a Koreje.

Nový systém využívá vrstvu materiálu z gadolinia a kobaltu, který patří do skupiny materiálů známých jako feromagnety z přechodných kovů vzácných zemin. Oba prvky v něm tvoří vzájemně propojené mřížky atomů a atomy gadolinia mají přednostně magnetické osy orientované jedním směrem, zatímco atomy kobaltu směřují opačným směrem. Rovnováha mezi těmito dvěma prvky ve složení slitiny určuje celkovou magnetizaci materiálu.

Vědci však zjistili, že když pomocí napětí rozdělí molekuly vody po povrchu na kyslík a vodík, může být kyslík odváděn pryč, zatímco atomy vodíku – přesněji řečeno jejich jádra, která jsou tvořena jednotlivými protony – mohou proniknout hluboko do materiálu, a tím se změní rovnováha magnetických orientací. Tato změna stačí k tomu, aby se orientace čistého magnetického pole změnila o 180 stupňů, což je přesně ten druh úplného zvratu, který je potřebný pro zařízení, jako jsou magnetické paměti.

“Zjistili jsme, že vložením vodíku do této struktury můžeme výrazně snížit magnetický moment gadolinia,” vysvětluje Huang. Magnetický moment je měřítkem síly pole vytvářeného uspořádáním osy spinu atomu.

Vzhledem k tomu, že ke změně dochází pouze změnou napětí, nikoliv elektrickým proudem, který by způsoboval zahřívání, a tím ztrácel energii odváděním tepla, je tento proces vysoce energeticky účinný, říká Beach, který je spoluředitelem Laboratoře materiálového výzkumu MIT.

“Tato stabilita byla prokázána náročnými testy. Materiál byl vystaven desetitisícům přepólování bez známek degradace,” říká Huang.

Vysvětluje, že magnetické uspořádání jednotlivých atomů v materiálu funguje trochu jako pružiny. Pokud se jeden atom začne pohybovat mimo osu s ostatními, tato pružinová síla ho přitáhne zpět. A když jsou objekty spojeny pružinami, mají tendenci vytvářet vlny, které se mohou šířit podél materiálu. “U tohoto magnetického materiálu se jim říká spinové vlny. Vznikají oscilace magnetizace v materiálu, které mohou mít velmi vysoké frekvence.”

Ve skutečnosti mohou oscilovat až v terahertzovém pásmu, “což je činí jedinečně schopnými generovat nebo snímat velmi vysokofrekvenční elektromagnetické záření”.

Radim Ptáček, zdroj: MIT

Volty 700 x 200 px

Komentáře