Ett nytt material kan bli grunden för framtida datalagringsenheter, eftersom det kan möjliggöra betydande minskningar av energibehovet jämfört med dagens hårddiskar. Detta är ett material från klassen av så kallade magnetoelektriska multiferroer, vars kännetecken är att deras magnetiska och elektriska egenskaper är kopplade till varandra. Tack vare denna koppling, det borde vara möjligt att skriva magnetbitar med hjälp av mer energieffektiva elektriska fält. Det har länge varit förväntat att denna materialklass kan tjäna som grund för datorminnen i framtiden. Fördelen med det nyutvecklade multiferroiska materialet:Det uppvisar nödvändiga magnetiska egenskaper även vid rumstemperatur, och inte bara - som med de flesta magnetoelektriska multiferroics hittills - när de svalnat till mycket låga temperaturer, typiskt minus 200 grader Celsius. PSI -forskarna rapporterar sina nya resultat i tidskriften Naturkommunikation .

Forskare vid PSI har skapat ett nytt material som har en enorm potential för framtida datalagringsmedier. Detta är ett så kallat magnetoelektriskt multiferroiskt material med en avgörande förbättring:Det behåller de nödvändiga magnetiska egenskaperna vid upp till rumstemperatur och är därför lämpligt för vardagliga ändamål.

Magnetoelektriska multiferroiska material är extremt sällsynta. I dem, de magnetiska och elektriska egenskaperna är kopplade till varandra. Som ett resultat, de magnetiska egenskaperna kan styras genom applicering av ett elektriskt fält. Elektriska fält kan genereras enklare och effektivare än magnetfält. När ett elektriskt fält appliceras på magnetoelektriska multiferroer, det påverkar materialets elektriska egenskaper. Genom den magnetoelektriska kopplingen, du får sedan en förändring i de magnetiska egenskaperna gratis, säger Marisa Medarde, huvudförfattare till den nya studien, beskriver denna speciella materialklass.

Lagra data och spara energi

Dagens datorhårddiskar lagrar data i form av magnetiska bitar som skrivs genom tillämpning av ett magnetfält. I kontrast, lagringsmedier baserade på multiferroics skulle ha flera fördelar:Magnetisk lagring kan åstadkommas genom tillämpning av ett elektriskt fält, vilket skulle kräva betydligt mindre energi; enheter skulle producera mindre spillvärme och därmed också ha lägre krav på kylning, tillåter att minska användningen av fläktar och luftkonditionering. Med tanke på att molndatorer förbrukar många biljoner kilowattimmar per år, besparingar på detta område är av stor betydelse.

I nästan alla material, magnetism, som till exempel finns i järn, och ferroelektricitet - en särskild elektrisk egenskap hos material - utesluter varandra. Här representerar multiferroiska material ett undantag:De är såväl magnetiska som ferroelektriska; dessutom, dessa två egenskaper är kopplade till varandra. Material som forskare hittills har kunnat skapa, dock, visa multiferroiskt beteende nästan uteslutande vid mycket låga temperaturer, som minus 200 grader Celsius. PSI -forskarnas nya material är en innovation i detta avseende.

Syntes, fastighetsoptimering, och analyser vid PSI

Forskarna kom med sitt nya material genom att skräddarsy både dess kemiska sammansättning och den exakta produktionsprocessen. De fann slutligen att materialet med den kemiska formeln YBaCuFeO5 är lämpligt, och att det ger de bästa resultaten när det först värms till en hög temperatur och sedan utsätts för en extremt snabb kylning. Vid höga temperaturer, atomerna ordnar sig på ett sådant sätt att de är användbara för våra ändamål, Medarde förklarar. Den snabba kylningen fryser i huvudsak detta arrangemang på plats. Den underliggande metoden för snabb kylning - även känd som släckning - är bekant från tillverkning av särskilt hårda metaller och har använts i århundraden, till exempel, i härdade stålsvärd. PSI -forskarna, dock, tillämpade mycket mer extrema temperaturer:De värmde först sitt material till 1000 grader Celsius och kylde det sedan abrupt och snabbt till minus 200 grader Celsius. Efter att materialet tagits ur detta kylbad, den behåller sina speciella magnetiska egenskaper upp till och något över rumstemperatur.

Syntes- och fastighetsoptimeringsförfarandet utvecklades vid PSI, där materialen också producerades och därefter analyserades vid två storskaliga forskningsanläggningar, Swiss Spallation Neutron Source SINQ och Swiss Light Source SLS. Vårt nya material innehåller inte dyra ingredienser, Medarde rapporterar gärna. Och produktionsmetoden - nu när vi har tagit fram detaljerna - är lätt att omsätta i praktiken.

Det nya materialet har sina egenskaper tack vare förekomsten av så kallade magnetiska spiraler på atomnivå. Dessa små spiraler är ansvariga för kopplingen av magnetism och ferroelektricitet. I de flesta material, magnetiska spiraler försvinner när materialet blir varmare än runt minus 200 grader Celsius. PSI -forskarna ser sin främsta prestation i att ha skapat ett material där magnetiska spiraler är stabila vid rumstemperatur. Även vid 30 grader Celsius, våra magnetiska spiraler var fortfarande närvarande, Säger Medarde.

En släkting till högtemperaturens superledare

Materialet YBaCuFeO5 är faktiskt inte helt nytt. Föreningen syntetiserades faktiskt för första gången 1988. Nu, dock, PSI -forskarnas speciella tillverkningsprocess ordnar just järn- och kopparatomerna på ett sådant sätt att materialet får helt nya egenskaper. YBaCuFeO ₅ är nära besläktad med yttrium barium kopparoxid, kemisk notering YBa ₂ Cu ₃ O _6+x , en grupp superledare som upptäcktes 1987 och som fortfarande är superledande upp till relativt höga temperaturer:Några av dem tappar sin supraledande egenskap vid temperaturer runt minus 180 grader Celsius - det vill säga cirka 200 grader lägre än spiraltemperaturen för det nya materialet som utvecklats vid PSI.