Stoffet forskerne har studert ser nesten ut som en diamant på atomnivå, men når de ser enda nærmere finner de et mer rotete system. Ujevnheter gir stoffet helt unike magnetiske egenskaper. (Illustrasjon: Hannu Viitanen/Colourbox)
Stoffet forskerne har studert ser nesten ut som en diamant på atomnivå, men når de ser enda nærmere finner de et mer rotete system. Ujevnheter gir stoffet helt unike magnetiske egenskaper. (Illustrasjon: Hannu Viitanen/Colourbox)

Forskere oppdaget nye egenskaper i magnetisk stoff

Det kan føre til raskere datamskiner i fremtiden. Men mest av alt er det fascinerende.

 

Published

Fysikere oppdaget nylig noe som en kan dag lede til raskere datamaskiner som bruker minimalt med elektrisitet.

Kanskje. Uansett er det de har funnet ut interessant. Og vakkert. Men også ganske komplisert.

Det de har funnet er såkalte domenevegger med helt spesielle magnetiske egenskaper i en type magneter kalt helimagneter.

Så hva i all verden betyr det og hvorfor bør vi egentlig fnise av begeistring?

En av forskerne bak den nye oppdagelsen er førsteamanuensis ved Institutt for materialteknologi ved NTNU Dennis Meier. Han jobber med fysikk på nanonivå og allerede høres dette så vanskelig ut at mange vil ha mest lyst til å slutte å lese nå – og heller finne noe annet å gjøre. Men heng med litt, så kanskje vi kan lære noe.

Tilsynelatende perfekt krystall

Det magnetiske stoffet Meier og kollegaene fra Tyskland, Sveits og Japan har studert er helimagneten ferrogermanium. Dette stoffet er en blanding av metallet jern og halvmetallet germanium.

Stoffets atomer er organisert nesten som i en diamant. Det betyr at det samme mønsteret av atomer gjentas om igjen og om igjen i en såkalt krystallstruktur.

Men i virkeligheten er ikke det magnetiske stoffet så ensartet som det ser ut som. Krystallen kan være nær perfekt, men de magnetiske egenskapene i stoffet kan samtidig ha sin helt egen, mer rotete organisering.

En tilsynelatende perfekt krystallstruktur i et fast stoff er nemlig delt inn i atskilte områder med sine spesielle, magnetiske egenskaper. Disse magnetiske områdene kalles domener.

Så hva er en domenevegg?

Jo, det er grensene mellom disse områdene. Og det er altså disse Meier og hans kolleger studerer.

Å forstå når du er heldig

Det forskerne har oppdaget er tre nye klasser av disse domeneveggene i helimagneter. Mønstrene oppstår på grunn av forvridninger og skjevheter i stoffet.

– Vi var heldige som fant dem, sier Meier, kanskje noe i overkant beskjedent.

– Eh. Heldige?

– Ja. Men du må være i stand til å skjønne når du er heldig, flirer han.

Disse domeneveggene er altså helt nye for vitenskapen. Så hva er det som er spesielt med dem? For å forstå det er det ikke nok å snakke om atomene.

Vi må zoome enda lenger inn og se på elementærpartiklene som atomene består av.

Magnetiske egenskaper i spiral

Magnetisme skapes nemlig av én av to ting:

1. Elektrisk strøm, som i elektromagneter.

2. Spinn, som er det magnetiske momentet til elementærpartiklene, altså delene som et atom består av.

Egentlig er de to sider av samme sak, men det kan du glemme i denne sammenhengen. La oss holde oss til versjon to, altså spinn eller magnetisk moment. Det magnetiske momentet blir gjerne illustrert med en pil, fordi det peker i en bestemt retning for hver elementærpartikkel.

Den magnetismen de fleste av oss tenker på når vi ser for oss en magnet, for eksempel en kjøleskapsmagnet, heter ferromagnetisme på fagspråket. Denne typen magnetisme oppstår når de magnetiske momentene til atomene i hovedsak peker i samme retning. Da tiltrekker magneten seg andre magnetiske objekter.

Men i helimagneter organiserer atomenes magnetiske momenter seg på en annen måte. Istedenfor å peke i samme retning organiserer de seg i spiral- eller heliksmønstre.

Spiralmønster innenfor hvert område

Magneter er delt inn i forskjellige domener. I klassiske magneter, såkalte ferromagneter, peker de magnetiske egenskapene til atomene i samme retning. (Illustrasjon: Dennis Meier, NTNU)
Magneter er delt inn i forskjellige domener. I klassiske magneter, såkalte ferromagneter, peker de magnetiske egenskapene til atomene i samme retning. (Illustrasjon: Dennis Meier, NTNU)

Men i begge typene magneter finnes det forskjellige domener eller adskilte magnetiske felt.

I de klassiske ferromagnetene har hvert av disse domenenes atomer magnetiske momenter som peker i den samme retningen, men retningen varierer mellom naboområdene.

Mens i helimagneter finner vi isteden domener med spiralmønstre.

Selv om forskningsfeltet er komplisert, mener Meier det er noen klare fordeler ved å forske på noe som er helt ukjent.

– Det er enkelt, fordi du må ikke tenke så mye – alt hva vi enn gjør innenfor området vil være noe nytt, slår Meier fast. Flirende igjen.

Kan åpne for raskere dataoverføring

Så hvorfor skal vi som ikke er fysikere bry oss?

Meier forklarer at domeneveggene kan ha eksotiske magnetiske egenskaper som områdene ikke viser. Disse vekselvirker for eksempel sterkere med elektrisk strøm og kan brukes til dataoverføring og lagring i fremtiden. Kanskje.

Hva betyr det? Vel.

Kanskje kan dette en gang bli et alternativ til dagens datamaskiner, som snur magnetisme og omdanner dem til 0 og 1.

– Det neste vi skal gjøre, er å forsøke å påvirke disse nye domeneveggene, sier førsteamanuensis Meier.

Meier og andre kollegaer ved NTNU skal altså forsøke å styre disse veggene med elektrisk strøm. Få kontroll på dem.

Alt dette kan en dag lede til raskere datamaskiner som bruker minimalt med elektrisitet. Kanskje. Uansett er det fascinerende.

For mønstrene gjenspeiler lignende mønstre som du kan finne i flytende krystaller. Molekylene i flytende krystaller er kanskje bitte små, men de er gigantiske i forhold til nanostrukturene Meier og kollegene studerer. Mønstre i naturen gjentar seg i ulike skalaer.

Oppdagelsen er samtidig et alternativ til forskning på såkalte skyrmioner, som også kanskje en dag kan brukes til å overføre informasjon raskt og nesten uten elektrisitet.

Hva skyrmioner er? Nei, det får du finne i en annen artikkel. For eksempel i denne om kulelyn og skyrmioner.

Referanser

P. Schoenherr med flere: Topological domain walls in helimagnets Nature Physics mars 2018.