Επιστήμονες ανακάλυψαν νέα μορφή μαγνητισμού – Πώς θα επηρεάσει την ανθρωπότητα

Οι επιστήμονες ανακάλυψαν για πρώτη φορά μια νέα μορφή μαγνητισμού: τον αλτερμαγνητισμό.

Η ανακάλυψη αυτή, που δημοσιεύθηκε αυτή την εβδομάδα στο περιοδικό Nature, θα μπορούσε να ανοίξει την πόρτα σε μια επανάσταση στην τεχνολογία της ψηφιακής μνήμης.

Σύμφωνα με τους ερευνητές, οι συσκευές που βασίζονται στον αλτερμαγνητισμό θα μπορούσαν να λειτουργήσουν έως και χίλιες (!) φορές ταχύτερα από τη σημερινή γενιά.

Ο μαγνητισμός είναι ένα θεμελιώδες φυσικό φαινόμενο που προκύπτει από την κίνηση φορτισμένων σωματιδίων, όπως τα ηλεκτρόνια, και την εγγενή ιδιότητά τους, γνωστή ως «σπιν». Για να κατανοήσουμε τον αλτερμαγνητισμό, είναι σημαντικό να κατανοήσουμε πρώτα τις παραδοσιακές μορφές μαγνητισμού και τις βασικές αρχές τους.

Ο σιδηρομαγνητισμός είναι η πιο γνωστή μορφή μαγνητισμού και εμφανίζεται σε υλικά όπως ο σίδηρος, το κοβάλτιο και το νικέλιο. Αυτός ο τύπος μαγνητισμού δημιουργείται όταν οι μαγνητικές ροπές (μικροί μαγνήτες, που ονομάζονται επίσης σπιν, μεμονωμένων ατόμων) ευθυγραμμίζονται προς την ίδια κατεύθυνση.

Αυτή η ευθυγράμμιση έχει ως αποτέλεσμα μια ισχυρή, παρατηρήσιμη μαγνητική δύναμη. Κλασικό παράδειγμα είναι ο μαγνήτης ψυγείου: οι μαγνητικές ροπές παραμένουν ευθυγραμμισμένες, ακόμη και χωρίς την παρουσία εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο αυτά τα υλικά διατηρούν τον μόνιμο μαγνητισμό τους.

Στον αντιφερρομαγνητισμό, οι μαγνητικές ροπές γειτονικών ατόμων στρέφονται προς ακριβώς αντίθετες κατευθύνσεις. Ως αποτέλεσμα, αλληλοεξουδετερώνονται, πράγμα που σημαίνει ότι δεν υπάρχει ορατή μαγνητική δύναμη, όπως στους σιδηρομαγνήτες. Παρά τον αόρατο μαγνητισμό τους, οι αντιφερρομαγνήτες διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο στην τεχνολογία, όπως η σπιντρονική. Η σπιντρονική χρησιμοποιεί το σπιν των ηλεκτρονίων για προηγμένη αποθήκευση και επεξεργασία δεδομένων. Σκεφτείτε τον δίσκο στερεάς κατάστασης (SSD) στον υπολογιστή σας.

Μαγνητισμός με μια συστροφή

Ο αλτερμαγνητισμός συνδυάζει ιδιότητες και των δύο. Ακριβώς όπως και στον αντιφερρομαγνητισμό, γειτονικοί μαγνήτες στρέφονται αντιπαράλληλα, προς αντίθετες κατευθύνσεις. Υπάρχει όμως μια (κυριολεκτική) συστροφή: η κρυσταλλική δομή στην οποία βρίσκεται κάθε μαγνήτης είναι πάντα ελαφρώς περιστρεφόμενη σε σχέση με εκείνη των γειτόνων του.

Αυτή η μικρή συστροφή κάνει μεγάλη διαφορά, πιστεύουν οι ερευνητές. Σύμφωνα με αυτούς, οι αλτερμαγνήτες συνδυάζουν τις ευνοϊκές ιδιότητες των σιδηρομαγνητών και των αντιφερμαγνητών σε ένα υλικό. Αν μπορείτε να πιστέψετε τους επιστήμονες, καθιστούν δυνατή την κατασκευή ηλεκτρονικών εξαρτημάτων και ψηφιακής μνήμης έως και χίλιες φορές ταχύτερα, ενώ παράλληλα είναι πιο ενεργειακά αποδοτικά και διαρκούν περισσότερο.

Ο αντίκτυπος θα μπορούσε να είναι μεγάλος

Αν οι ιδιότητες των alter μαγνητών αποδειχθούν αληθινές, αυτό θα ήταν ένα καλό νέο, διότι οι μαγνήτες παίζουν βασικό ρόλο στις περισσότερες μορφές μακροπρόθεσμης μνήμης υπολογιστών. Αλλά οι alter μαγνήτες θα μπορούσαν όχι μόνο να κάνουν τους υπολογιστές καλύτερους, αλλά και λιγότερο ρυπογόνους. Αν μπορούσαμε να αντικαταστήσουμε βασικά εξαρτήματα με αλλιώτικους μαγνήτες, αυτό θα αύξανε την ταχύτητα και την αποδοτικότητα κατά πολύ. Για μια βιομηχανία που αντιπροσωπεύει σχεδόν το 3% των παγκόσμιων εκπομπών, κάθε βελτίωση θα μπορούσε να έχει μεγάλο αντίκτυπο. Ταυτόχρονα, η εξάρτησή μας από τα ρυπογόνα βαρέα μέταλλα θα μειωνόταν σημαντικά.

Ειδικό μικροσκόπιο: Για να δουν πραγματικά τον αλτερμαγνητισμό, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν την εγκατάσταση MAX IV στη Σουηδία. Αυτός ο γιγαντιαίος επιταχυντής ηλεκτρονίων παράγει πολύ έντονες ακτίνες Χ. Ρίχνοντας αυτή την ακτινοβολία πάνω στο μαγνητικό υλικό και συλλαμβάνοντας τα ηλεκτρόνια που απελευθερώνονται από την επιφάνεια με ένα τροποποιημένο μικροσκόπιο, οι ερευνητές μπόρεσαν να χαρτογραφήσουν τη μαγνητική δομή σε πολύ μικρή κλίμακα.

«Η πειραματική μας εργασία γεφύρωσε το χάσμα μεταξύ των θεωρητικών εννοιών και της πρακτικής υλοποίησης», λέει ο ερευνητής και συν-συγγραφέας της μελέτης Oliver Amin. «Ας ελπίσουμε ότι αυτό θα δείξει το δρόμο για την ανάπτυξη αλτρομαγνητικών υλικών για πρακτικές εφαρμογές».

Όχι για αύριο: Οι ερευνητές τονίζουν ότι πρέπει να γίνει ακόμη πολλή δουλειά προτού δούμε πραγματικά υπολογιστές και smartphones με αλτερμαγνητική μνήμη στα καταστήματα. Αλλά αυτή η πρώτη πειραματική επιβεβαίωση της ύπαρξης και των ιδιοτήτων του αλτερμαγνητισμού είναι ένα μεγάλο βήμα προς τα εμπρός. Στο μέλλον, τα υλικά αυτά θα μπορούσαν κάλλιστα να αποτελέσουν το κλειδί για ταχύτερα, οικονομικότερα και πιο βιώσιμα ηλεκτρονικά.