Jak dziwna nowa substancja zmieni technologię

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.

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.