Prąd podąża za spinem: naukowcy stworzyli „skręcony” magnes
Nowy materiał magnetyczny, opracowany przez międzynarodowy zespół naukowców, w którego składzie znalazł się dr inż. Kamil Kolincio z Politechniki Gdańskiej, może wyznaczyć świeży kierunek rozwoju przyszłej elektroniki.
Niezwykłe właściwości materiału pokazują, że zamiast zwiększać przepływ ładunku i generować coraz więcej ciepła, można wykorzystać subtelniejszy aspekt natury elektronu: jego spin.
Współczesne układy elektroniczne działają dzięki przepływowi ładunku elektrycznego. Im szybciej chcemy przesyłać informacje, tym więcej energii trzeba dostarczyć, generując przy tym więcej ciepła. Naukowcy od lat rozwijają spintronikę, dziedzinę, która wykorzystuje spin elektronu jako dodatkowy nośnik informacji.
Spin można wyobrazić sobie jako wewnętrzny kierunek obrotu elektronu. Jeśli uda się go kontrolować, ten sam prąd może przenosić więcej danych, przy mniejszym zużyciu energii. Kluczowe dla tego konceptu są materiały, które potrafią uporządkować spiny, umożliwiając łatwiejszy odczyt informacji.
Przełom opisany w czasopiśmie Nature dotyczy właśnie takiego materiału. Naukowcy stworzyli metaliczny magnes, w którym momenty magnetyczne atomów nie ustawiają się równolegle, jak w klasycznym magnesie, ale tworzą regularną strukturę helisy.
Mamy tu do czynienia z metalicznym magnesem p-falowym (p-wave magnet). To szczególny stan, w którym elektrony przewodnictwa ulegają rozszczepieniu spinowemu o nieparzystej symetrii (odd-parity spin splitting). Zjawisko to wynika ze sprzężenia między elektronami przewodzącymi a antyferromagnetycznym układem lokalnych momentów magnetycznych, które tworzą współpłaszczyznową helisę spinową.
Co istotne, taka struktura łamie symetrię przestrzenną, ale w dużej mierze zachowuje symetrię czasową, spełniając warunki dla powstania magnetyzmu p-falowego. To rzadkie i wcześniej głównie teoretyczne zjawisko udało się tu zaobserwować eksperymentalnie.
Prąd płynie „skręconą drogą”
Efektem tej nietypowej struktury jest anizotropia przewodnictwa: prąd elektryczny płynie łatwiej w jednych kierunkach niż w innych. Innymi słowy, materiał preferuje określone kierunki przepływu elektronów, co bezpośrednio wynika z uporządkowania spinów.
Jeszcze bardziej spektakularny jest tzw. anormalny efekt Halla. W klasycznej wersji tego zjawiska potrzebne jest zewnętrzne pole magnetyczne, aby wywołać poprzeczne napięcie. Tutaj jednak napięcie pojawia się samoistnie - dzięki wewnętrznej strukturze materiału i sprzężeniu spin-orbita.
W nowym materiale efekt ten osiąga wyjątkowo dużą wartość (ponad 600 S/cm przewodności Halla), co czyni go jednym z najsilniejszych znanych przykładów w antyferromagnetykach. W praktyce oznacza to, że stan spinowy można odczytać mierząc napięcie.
Od fizyki do technologii
Badania potwierdzono za pomocą zaawansowanych metod, takich jak rozpraszanie promieniowania X i neutronów. Szczególną rolę odegrały eksperymenty przeprowadzone w ośrodku J-PARC w Japonii, współprowadzone przez dr. inż. Kamila Kolincio.
Znaczenie odkrycia wykracza poza fizykę podstawową. „Skręcone” magnesy mogą stać się fundamentem nowych typów pamięci i przełączników, w których informacje zapisywane są jako kierunek helisy spinowej.
Tego typu rozwiązania mogłyby działać szybciej, zużywać mniej energii i generować mniej ciepła niż dzisiejsze układy. Co więcej, materiały te otwierają drogę do nowych zastosowań: od czujników bez magnesów trwałych po egzotyczne układy z nadprzewodnikami. Odkrycie pokazuje, że przyszłość elektroniki może zależeć od sprytniejszego wykorzystania fundamentalnych właściwości materii.