Naukowcy odkryli niewidziane interakcje, które mogą mieć wpływ na przyszłość elektroniki.
Naukowcy z Uniwersytetu Missouri odkryli nową kwazicząstkę w materiałach magnetycznych, co stanowi wyzwanie dla statycznych koncepcji magnetyzmu. Ten przełom może przekształcić elektronikę i spintronikę, wykorzystując spin elektronów do tworzenia energooszczędnych innowacji, takich jak trwalsze baterie.
Odkrywanie nanoskali: nowa granica
Poznaj świat tak maleńki, że wymyka się wyobraźni nanoskala. Aby to sobie wyobrazić, weź pojedyncze pasmo włosów i zmniejsz je milion razy. W tej niewielkiej skali atomy i cząsteczki pełnią rolę głównych architektów, tworząc właściwości i zachowania, które w dużej mierze pozostają niezbadane – aż do teraz.
Naukowcy Deepak Singh i Carsten Ullrich z College of Arts and Science na Uniwersytecie Missouri wraz ze swoimi zespołami studentów i doktorantów odkryli przełomowe zjawisko: nowy typ kwazicząstek obecnych we wszystkich materiałach magnetycznych, niezależnie od ich siły i temperatury .
Odsłonięcie dynamicznej natury magnetyzmu
To odkrycie podważa długotrwałe przekonania na temat magnetyzmu, ujawniając, że jest on znacznie bardziej dynamiczny i złożony, niż wcześniej sądzono.
„Wszyscy widzieliśmy bąbelki tworzące się w wodzie gazowanej lub innych napojach gazowanych” – powiedział Ullrich, wybitny profesor fizyki i astronomii kuratorów. „Kwazicząstki są jak te bąbelki i odkryliśmy, że mogą swobodnie poruszać się z zadziwiająco dużą prędkością”.
Odkrycie to może pomóc w opracowaniu nowej generacji elektroniki, która będzie szybsza, inteligentniejsza i bardziej energooszczędna. Najpierw jednak naukowcy muszą ustalić, w jaki sposób to odkrycie może wpłynąć na te procesy.
Rewolucyjna technologia spintroniki
Jedną z dziedzin nauki, która mogłaby bezpośrednio skorzystać na odkryciu naukowców, jest spintronika, czyli „elektronika spinowa”. Podczas gdy tradycyjna elektronika wykorzystuje ładunek elektryczny elektronów do przechowywania i przetwarzania informacji, spintronika wykorzystuje naturalny spin elektronów — właściwość nierozerwalnie związaną z kwantową naturą elektronów, powiedział Ullrich.
Na przykład bateria telefonu komórkowego może wytrzymać setki godzin na jednym ładowaniu, jeśli jest zasilana przez spintronikę, powiedział Singh, profesor fizyki i astronomii specjalizujący się w spintronice.
Zaleta Spinu: Wydajność w działaniu
„Za zjawiska magnetyczne odpowiada spinowa natura tych elektronów” – powiedział Singh. „Elektrony mają dwie właściwości: ładunek i spin. Zamiast więc używać konwencjonalnego ładunku, używamy właściwości rotacyjnej lub wirującej. Jest bardziej wydajny, ponieważ spin rozprasza znacznie mniej energii niż ładunek.”
Zespół Singha, w skład którego wchodziła była studentka Jiason Guo, przeprowadził eksperymenty, wykorzystując wieloletnie doświadczenie Singha w zakresie materiałów magnetycznych do udoskonalenia ich właściwości. Zespół Ullricha wraz z badaczem ze stopniem doktora Danielem Hillem przeanalizował wyniki Singha i stworzył modele wyjaśniające unikalne zachowanie, które obserwowali za pomocą potężnych spektrometrów znajdujących się w Oak Ridge National Laboratory.
Obecne badanie opiera się na wcześniejszym badaniu zespołu, opublikowanym w Komunikacja przyrodniczagdzie po raz pierwszy opisali to dynamiczne zachowanie na poziomie nanoskali.
Odniesienie: „Emergent topological quasiarticle kinetics in constricted nanomagnets” autorstwa J. Guo, D. Hill, V. Lauter, L. Stingaciu, P. Zolnierczuk, CA Ullrich i DK Singh, 15 listopada 2024 r., Badania dotyczące przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevResearch.6.043144
Prace te finansowano z grantów Biura Naukowego ds. Nauk Podstawowych o Energii Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DE-SC0014461 i DE-SC0019109). Za treść odpowiadają wyłącznie autorzy i niekoniecznie odzwierciedlają oficjalne poglądy agencji finansującej.
Guo, który jest obecnie stażystą podoktorskim w Oak Ridge National Laboratory, oraz Hill są pierwszym i drugim autorem badania. Do badaczy Mizzou dołączyli Valeria Lauter, Laura Stingaciu i Piotr Zolnierczuk, naukowcy z Oak Ridge.
