Kiedy badacze napromieniają cienką warstwę jodku niklu ultraszybkim impulsem lasera, pojawiają się elementy w kształcie korkociągu zwane „chiralnymi spiralnymi oscylacjami magnetoelektrycznymi”. Funkcje te mogą być przydatne w szeregu zastosowań, w tym w szybkich, kompaktowych pamięciach komputerowych. Źródło: Studio Ella Maru
Naukowcy odkryli, że jodek niklu wykazuje wyjątkowe sprzężenie magnetoelektryczne, dzięki czemu doskonale nadaje się do stosowania w szybkich i energooszczędnych technologiach, takich jak pamięci magnetyczne i obliczenia kwantowe.
Warstwowy materiał multiferroiczny, jodek niklu, może być najlepszym jak dotąd kandydatem na urządzenia takie jak magnetyczna pamięć komputerowa, które są niezwykle szybkie i kompaktowe.
Multiferroiki i jodek niklu
Przez dziesięciolecia naukowcy badali grupę niezwykłych materiałów zwanych multiferroikami, które mogą być przydatne w szeregu zastosowań, w tym w pamięci komputerów, czujnikach chemicznych i komputerach kwantowych. W badaniu opublikowanym w Naturanaukowcy z Uniwersytetu Teksasu w Austin i Instytutu Struktury i Dynamiki Materii Maxa Plancka (MPSD) wykazali, że warstwowy materiał multiferroiczny jodek niklu (NiI2) może być najlepszym jak dotąd kandydatem na urządzenia, które są niezwykle szybkie i kompaktowe.
Multiferroiki mają specjalną właściwość zwaną sprzężeniem magnetoelektrycznym, co oznacza, że można manipulować właściwościami magnetycznymi materiału za pomocą pola elektrycznego i odwrotnie, właściwościami elektrycznymi za pomocą pól magnetycznych. Naukowcy odkryli NiI2 ma większe sprzężenie magnetoelektryczne niż jakikolwiek znany materiał tego rodzaju, co czyni go głównym kandydatem do postępu technologicznego.
Kiedy badacze napromieniają cienką warstwę jodku niklu ultraszybkim impulsem lasera, pojawiają się elementy w kształcie korkociągu zwane „chiralnymi spiralnymi oscylacjami magnetoelektrycznymi”. Funkcje te mogą być przydatne w szeregu zastosowań, w tym w szybkich, kompaktowych pamięciach komputerowych. Źródło: Studio Ella Maru
Przełom w sprzężeniu magnetoelektrycznym
„Odkrycie tych efektów w skali atomowo cienkich płatków jodku niklu było ogromnym wyzwaniem” – powiedział Frank Gao, doktorant z fizyki na UT i współautor artykułu, „ale nasz sukces oznacza znaczący postęp w tej dziedzinie multiferroików.”
„Nasze odkrycie toruje drogę niezwykle szybkim i energooszczędnym urządzeniom magnetoelektrycznym, w tym pamięciom magnetycznym” – dodał doktorant Xinyue Peng, drugi współautor projektu.
Podstawowe właściwości i metodologie badawcze
Pola elektryczne i magnetyczne mają fundamentalne znaczenie dla naszego rozumienia świata i nowoczesnych technologii. Wewnątrz materiału ładunki elektryczne i atomowe momenty magnetyczne mogą uporządkować się w taki sposób, że ich właściwości sumują się, tworząc polaryzację elektryczną lub namagnesowanie. Materiały takie nazywane są ferroelektrykami lub ferromagnesami, w zależności od tego, która z tych wielkości jest w stanie uporządkowanym.
Jednakże w egzotycznych materiałach, jakimi są multiferroiki, takie porządki elektryczne i magnetyczne współistnieją. Porządek magnetyczny i elektryczny można splątać w taki sposób, że zmiana jednego powoduje zmianę drugiego. Ta właściwość, znana jako sprzężenie magnetoelektryczne, czyni te materiały atrakcyjnymi kandydatami na szybsze, mniejsze i bardziej wydajne urządzenia. Aby takie urządzenia działały skutecznie, ważne jest znalezienie materiałów o szczególnie silnym sprzężeniu magnetoelektrycznym, jak opisuje zespół badawczy w przypadku NiI2 w ich badaniu.
Naukowcy osiągnęli to poprzez wzbudzenie materiału ultrakrótkimi impulsami laserowymi w zakresie femtosekundowym (jedna milionowa miliardowej części sekundy), a następnie śledzenie wynikających z tego zmian w porządkach elektrycznych i magnetycznych materiału oraz sprzężeniu magnetoelektrycznym poprzez ich wpływ na określone właściwości optyczne.
Potencjalne zastosowania i przyszłe badania
Aby zrozumieć, dlaczego sprzężenie magnetoelektryczne jest o wiele silniejsze w NiI2 niż w przypadku podobnych materiałów, zespół przeprowadził obszerne obliczenia.
„Dwa czynniki odgrywają tu ważną rolę” – powiedział współautor Emil Viñas Boström z MPSD. „Jednym z nich jest silne sprzężenie spinu elektronów z ruchem orbitalnym atomów jodu — jest to efekt relatywistyczny znany jako sprzężenie spin-orbita. Drugim czynnikiem jest szczególna forma porządku magnetycznego w jodku niklu, znana jako spirala spinowa lub helisa spinowa. To uporządkowanie jest kluczowe zarówno dla zainicjowania porządku ferroelektrycznego, jak i dla siły sprzężenia magnetoelektrycznego.
Materiały takie jak NiI2 Zdaniem naukowców, z dużym sprzężeniem magnetoelektrycznym mają szeroki zakres potencjalnych zastosowań. Należą do nich magnetyczna pamięć komputerowa, która jest zwarta, energooszczędna i można ją przechowywać i odzyskiwać znacznie szybciej niż istniejąca pamięć; połączenia wzajemne w platformach obliczeń kwantowych; oraz czujniki chemiczne, które mogą zapewnić kontrolę jakości i bezpieczeństwo leków w przemyśle chemicznym i farmaceutycznym.
Naukowcy mają nadzieję, że te przełomowe odkrycia można wykorzystać do zidentyfikowania innych materiałów o podobnych właściwościach magnetoelektrycznych oraz że inne techniki inżynierii materiałowej mogłyby ewentualnie doprowadzić do dalszego udoskonalenia sprzężenia magnetoelektrycznego w NiI2.
Odniesienie: „Gigantyczne chiralne oscylacje magnetoelektryczne w multiferroiku van der Waalsa” 17 lipca 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07678-5
Praca ta została wymyślona i nadzorowana przez Edoardo Baldiniego, adiunkta fizyki na UT i Angela Rubio, dyrektora MPSD.
Pozostali autorzy UT artykułu to Dong Seob Kim i Xiaoqin Li. Inni autorzy MPSD to Xinle Cheng i Peizhe Tang. Dodatkowymi autorami są Ravish K. Jain, Deepak Vishnu, Kalaivanan Raju, Raman Sankar i Shang-Fan Lee z Academia Sinica; Michael A. Sentef z Uniwersytetu w Bremie; i Takashi Kurumaji z Kalifornijskiego Instytutu Technologii.
Finansowanie tych badań zapewniła Fundacja Roberta A. Welcha, Amerykańska Narodowa Fundacja Nauki, Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych, program badań i innowacji Unii Europejskiej „Horyzont Europa”, Cluster of Excellence „CUI: Advanced Imaging of Matter ”, Grupos Consolidados, Centrum ds. Nierównowagowych Zjawisk Kwantowych Maxa Plancka w Nowym Jorku, Fundacja Simonsa oraz Ministerstwo Nauki i Technologii na Tajwanie.
