Forscher entdecken neue Methode zur Steuerung von Magneten | MIT-Nachrichten

Die meisten Magnete, denen wir täglich begegnen, bestehen aus “ferromagnetischen” Materialien. Die Nord-Süd-Magnetachsen der meisten Atome in diesen Materialien sind in die gleiche Richtung ausgerichtet, sodass ihre kollektive Kraft stark genug ist, um eine signifikante Anziehung zu erzeugen. Diese Materialien bilden die Grundlage der meisten Datenspeicher in der heutigen Hightech-Welt.

Magnete aus ferrimagnetischen Materialien mit einem “i” sind weniger verbreitet. Bei diesen sind einige der Atome in eine Richtung ausgerichtet, andere jedoch genau in die entgegengesetzte Richtung. Infolgedessen hängt das von ihnen erzeugte Gesamtmagnetfeld vom Gleichgewicht zwischen den beiden Typen ab – wenn mehr Atome in eine Richtung weisen als in die andere, erzeugt dieser Unterschied ein scharfes Magnetfeld in dieser Richtung.

Grundsätzlich sollten ferrimagnetische Materialien aufgrund ihrer magnetischen Eigenschaften, die stark von äußeren Kräften beeinflusst werden, in der Lage sein, Daten oder logische Speicherschaltungen zu erzeugen, die viel schneller sind und mehr Daten auf einem gegebenen Raum packen können als heute übliche Ferromagnete. Bisher gab es jedoch keine einfache, schnelle und zuverlässige Möglichkeit, die Ausrichtung dieser Magnete zu ändern, um in einem Datenspeicher von einer 0 auf eine 1 zu gelangen.

Forscher am MIT und anderswo haben eine solche Methode entwickelt, mit der die magnetische Polarität eines Ferri-Magneten mit nur einer kleinen angelegten Spannung schnell um 180 Grad geändert werden kann. Die Entdeckung könnte eine neue Ära der ferrimagnetischen Logik und der Datenspeicher einläuten, sagen die Forscher.

Ergebnisse erscheinen im Journal Natur Nanotechnologie.

Das neue System verwendet einen Materialfilm namens Gadolinium-Kobalt, der zu einer Klasse von Materialien gehört, die als Seltenerd-Übergangsmetall-Ferrimagnetik bekannt sind. Darin bilden die beiden Elemente verschachtelte Atomnetzwerke, wobei die magnetischen Achsen von Gadoliniumatomen vorzugsweise in eine Richtung ausgerichtet sind, während Kobaltatome in die entgegengesetzte Richtung zeigen. Das Gleichgewicht zwischen den beiden in der Zusammensetzung der Legierung bestimmt die Gesamtmagnetisierung des Materials.

Forscher haben jedoch herausgefunden, dass durch die Aufspaltung von Wassermolekülen entlang der Filmoberfläche mit Spannung in Sauerstoff und Wasserstoff Sauerstoff entlüftet werden kann, während Wasserstoffatome – oder genauer gesagt ihre Kerne, die einzelne Protonen sind – tief in das Material eindringen können. , was das Gleichgewicht der magnetischen Orientierungen verändert. Die Änderung reicht aus, um die Ausrichtung des Nettomagnetfelds um 180 Grad zu ändern – genau die Art der vollständigen Umkehrung, die für Geräte wie magnetische Speicher benötigt wird.

„Wir haben herausgefunden, dass wir durch das Einfüllen von Wasserstoff in diese Struktur das magnetische Moment von Gadolinium drastisch reduzieren können“, sagt Huang. Das magnetische Moment ist ein Maß für die Stärke des Feldes, das durch die Ausrichtung der Rotationsachse des Atoms erzeugt wird.

Da die Änderung einfach durch eine Spannungsänderung erfolgt und nicht durch einen angelegten elektrischen Strom, der eine Erwärmung verursacht und daher Energie durch Wärmeableitung verschwendet, ist dieser Prozess sehr energieeffizient, sagt Beach, der Co-Direktor der Materialforschung am MIT. Labor.

Das Pumpen von Wasserstoffkernen in das Material sei bemerkenswert gutartig, sagt er. „Man könnte meinen, wenn Sie ein Material nehmen und andere Atome oder Ionen in dieses Material pumpen, würden Sie es ausdehnen und brechen. Aber es stellt sich heraus, dass bei diesen Filmen und weil das Proton eine so kleine Einheit ist, es den größten Teil dieses Materials infiltrieren kann, ohne die Art von struktureller Ermüdung zu verursachen, die zum Versagen führt.

Diese Stabilität wurde durch zermürbende Tests nachgewiesen. Das Material wurde 10.000 Polaritätsumkehrungen ohne Anzeichen von Verschlechterung unterzogen, sagte Huang.

Das Material hat zusätzliche Eigenschaften, die nützliche Anwendungen finden können, sagt Beach. Die magnetische Ausrichtung zwischen einzelnen Atomen im Material funktioniert ähnlich wie Federn, erklärt er. Wenn sich ein Atom zu den anderen verlagert, wird es durch diese federartige Kraft herausgezogen. Und wenn Gegenstände durch Federn verbunden sind, neigen sie dazu, Wellen zu erzeugen, die sich entlang des Materials ausbreiten können. „Bei diesem magnetischen Material nennen wir sie Spinwellen. Im Material treten Magnetisierungsschwingungen auf, die sehr hohe Frequenzen haben können.

Tatsächlich können sie in Richtung des oberen Endes des Terahertz-Bereichs schwingen, sagt er, „was sie besonders dazu befähigt, sehr hochfrequente elektromagnetische Strahlung zu erzeugen oder zu detektieren. Nur wenige Materialien können das.

Relativ einfache Anwendungen dieses Phänomens in Form von Sensoren könnten innerhalb weniger Jahre möglich sein, sagt Beach, aber komplexere Anwendungen wie Daten- und Logikschaltungen werden länger dauern, auch weil das gesamte Gebiet der ferrimagnetischen Technologie relativ neu ist .

Die grundlegende Methodik, abgesehen von diesen spezifischen Arten von magnetischen Anwendungen, könnte auch andere Anwendungen haben, sagt er. „Es ist eine Möglichkeit, die Eigenschaften innerhalb der Masse des Materials durch ein elektrisches Feld zu steuern“, erklärt er. „Das ist an sich schon bemerkenswert. “Andere Arbeiten wurden an der Kontrolle der Oberflächeneigenschaften durch angelegte Spannungen durchgeführt, aber die Tatsache, dass dieser Ansatz des Wasserstoffpumpens eine so tiefe Verwitterung ermöglicht”, ermöglicht die Kontrolle einer breiten Palette von Eigenschaften.

Das Team umfasste Forscher der University of Minnesota, die ALBA-Synchrotron-Lichtquelle in Barcelona, ​​​​Spanien; Technische Universität Chemnitz; Leibnitz IFW in Deutschland; Koreanisches Institut für Wissenschaft und Technologie; und Yonsei-Universität, Seoul. Die Arbeit wurde von der National Science Foundation unterstützt; die Defense Advanced Research Projects Agency; das Spintronic Materials Center for Advanced Information Technologies; Koreanisches Institut für Wissenschaft und Technologie; die Deutsche Wissenschaftsstiftung; das Ministerium für Wirtschaft und Wettbewerbsfähigkeit von Spanien; und das Kavanaugh Fellowship Program des Department of Materials Science and Engineering am MIT.