Een onderzoeksteam van de Florida State University heeft onlangs een gloednieuw kristalmateriaal gesynthetiseerd. De interne atomaire spins zijn niet langer netjes gerangschikt zoals traditionele magneten, maar vormen een zich regelmatig herhalende vortexachtige 'spintextuur'. Het vertoont een magnetisch gedrag dat compleet anders is dan conventionele magnetische materialen. Er wordt aangenomen dat het naar verwachting zal dienen voor gegevensopslag met hoge dichtheid, energiezuinige elektronische apparaten en toekomstige kwantuminformatietechnologie.
De onderzoekers gebruikten een ingenieuze ‘structuurcompetitie’-strategie: het mengen van twee verbindingen met vergelijkbare chemische samenstelling maar verschillende kristalsymmetrieën – de ene bestaat uit mangaan, kobalt en germanium, en de andere bestaat uit mangaan, kobalt en arseen, die buren zijn in het periodiek systeem. De twee kristalstructuren kunnen niet tegelijkertijd volledig stabiel blijven op de kruising van componenten, wat resulteert in zogenaamde "structurele frustratie". Deze instabiliteit wordt op microscopisch niveau 'vertaald' in magnetische 'frustratie', waardoor de atomaire spins worden gedwongen te vervormen en zich uiteindelijk spontaan te organiseren in periodieke vortexpatronen in het kristal.
Bij conventionele magneten wijst een groot aantal atomaire spins netjes in dezelfde richting als kleine pijlen, of in een eenvoudige anti-parallelle opstelling, waardoor het bekende macroscopische magnetisme ontstaat dat wordt gebruikt in apparaten zoals harde schijven van computers en smartphones. In de nieuwe materialen die het wetenschappelijke onderzoeksteam in dit werk heeft ontdekt, staan de spins niet langer simpelweg op één lijn, maar vormen ze complexere ring- en golfachtige structuren, de zogenaamde 'spintexturen', inclusief spiraalvormige of cycloïdale configuraties die lijken op 'skyrmionen'. Dit type topologische spinstructuur is een baanbrekende onderzoekshotspot op het gebied van de fysica van de gecondenseerde materie en de materiaalchemie.
Om deze skyrmion-achtige magnetische structuur te bepalen, gebruikte het team de gebruikersfaciliteit "Splash Neutron Source" van het Oak Ridge National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie om nauwkeurige metingen uit te voeren op het monster op de TOPAZ monokristallijne neutronendiffractometer, en combineerde dit met nieuw ontwikkelde tools voor gegevensverwerking en machinaal leren om de complexe magnetische structuur met grote zekerheid te analyseren. De onderzoekers wezen erop dat dit vermogen hen niet alleen in staat stelt vreemde spintexturen te ‘ontdekken’, maar ook deze magnetische structuren op verzoek te ‘ontwerpen en optimaliseren’, wat een nieuw pad biedt voor materiaalontwerp in informatie- en kwantumtechnologie.
Vanuit het perspectief van toepassingsvooruitzichten wordt dit type materiaal met een skyrmion-achtige spintextuur als veelbelovend beschouwd voor de ontwikkeling van harde schijven of opslagmedia met een hogere informatiedichtheid en het verbeteren van de efficiëntie van de elektronentransmissie. Omdat de energie die nodig is om skyrmionen via magnetische velden te controleren extreem laag is, wordt verwacht dat de introductie ervan in elektronische of spintronische apparaten het energieverbruik aanzienlijk zal verminderen. Vooral in grote supercomputersystemen met duizenden of zelfs tienduizenden processors kunnen de besparingen op energie- en koelingskosten buitengewoon aanzienlijk zijn.
Bovendien zijn de onderzoekers van mening dat dit ontwerpidee, gebaseerd op ‘structurele frustratie’, ook aanwijzingen kan opleveren voor het vinden van materialen die kunnen worden gebruikt om ‘fouttolerante’ qubits te bouwen. De zogenaamde fouttolerante kwantumcomputing verwijst naar het gebruik van materiaal en structureel ontwerp om het mogelijk te maken dat kwantuminformatie stabiel kan worden opgeslagen en gebruikt in echte omgevingen met ruis en fouten. Het wordt beschouwd als de ‘heilige graal’ van de verwerking van kwantuminformatie, en complexe spintextuurmaterialen worden beschouwd als een potentieel pad om een dergelijke oplossing te realiseren.
Anders dan de vorige route die meer berustte op 'materiaaljacht', legt dit onderzoek de nadruk op een soort 'chemisch denken': niet langer alleen maar 'zoeken' naar kandidaten met specifieke symmetrie in de bekende materiaalbibliotheek, maar vertrekkend van de intrinsieke relatie tussen structuur en spin, waarbij actief de combinatie van ingrediënten en kristalraamwerk wordt ontworpen om de verwachte magnetische textuur te induceren. Het onderzoeksteam verklaarde dat ze hopen een voorspellend vermogen op te bouwen: door de combinatie van elementen en structuren vooraf vast te stellen, kunnen ze mogelijke nieuwe materialen en hun magnetische eigenschappen op papier afleiden, in plaats van alleen te vertrouwen op experimenteel vallen en opstaan.
Een belangrijk bijkomend voordeel van deze methode is dat naar verwachting de selectie van grondstoffen die kunnen worden gebruikt om skyrmion-achtige spintexturen te produceren aanzienlijk zal worden uitgebreid, waardoor een materiaalsysteem zal worden gevonden met lagere kosten, gemakkelijkere kristalgroei en een robuustere toeleveringsketen, die gunstiger is voor toekomstige grootschalige technologietoepassingen. De gerelateerde resultaten werden gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society onder de titel "De opkomst van skyrmion-achtige spintexturen in materialen die voortkomen uit structurele frustratie." De gebruikte onderzoeksfaciliteiten omvatten het experimentele platform van de Florida State University en de neutronenverstrooiingsfaciliteit van Oak Ridge National Laboratory, en werden gefinancierd door de National Science Foundation.
Samengesteld uit /ScitechDaily