Att perfekt invertera komplexa strukturer är av stor teknisk betydelse. Forskare vid ETH har nu lyckats vända materials magnetiska och elektriska struktur till sina motsatser med hjälp av en enda magnetfältspuls.

I obehagligt högljudda miljöer, aktiv brusreducering har använts i hörlurar och lyxbilar de senaste åren. En mikrofon fångar upp det störande ljudet, från vilket ett datorchip beräknar lämpliga motåtgärder:ljudvågor vars faser är exakt motsatta till omgivningsljudets. Interferensen mellan dessa vågor raderar effektivt bruset. Fysiker och ingenjörer försöker tillämpa denna princip om perfekt inversion på andra teknologier – till exempel, till materialens magnetiska struktur. ETH-professorn Manfred Fiebig och hans medarbetare vid Institutionen för material i Zürich har nu lyckats göra just det, med stöd från forskare i Europa, Japan och Ryssland. Deras resultat publiceras denna vecka i den vetenskapliga tidskriften Natur .

Fiebigs team använde så kallade multiferroics för sina experiment. Till skillnad från många andra material som har antingen magnetisk eller elektrisk ordning, multiferroics har båda:De är magnetiskt och, på samma gång, elektriskt polariserad och, som en konsekvens, inrikta sig både längs magnetiska och längs elektriska fält. De fysiska mekanismerna som åstadkommer den magnetiska och elektriska ordningen inuti materialet är subtilt kopplade till varandra. Detta gör det möjligt att påverka magnetiseringen med hjälp av elektriska fält snarare än magnetiska fält. "Det är mycket effektivare, eftersom man behöver elektrisk ström för att skapa magnetiska fält, och det kostar mycket energi och skapar irriterande spillvärme, " förklarar Naëmi Leo, en före detta Ph.D. student i Fiebigs laboratorium. I datorer, till exempel, där data ständigt skrivs på magnetiska hårddiskar, multiferroics kan vara nyckelmaterial för betydande energibesparingar.

Inspiration från Tangram shapes

På ETH, som har varit en internationell ledare inom multiferroisk forskning under ganska lång tid, forskare tog denna idé ett steg längre. "Ett material som låter en kontrollera sin magnetisering med hjälp av elektriska fält måste nödvändigtvis ha en ganska komplex struktur, säger Fiebig.

Han använder det kinesiska Tangram-pusslet för att illustrera den principen:Ju fler bitar som finns tillgängliga – trianglar, kvadrater och parallellogram – desto mer utarbetade former är möjliga. När det gäller multiferroics, formerna motsvarar materialets symmetri, som bestämmer dess fysikaliska egenskaper. Ju mer komplexa dessa symmetrier, desto mer varierande är de så kallade ordningsparametrarna. De beskriver i vilken riktning magnetiseringen pekar inuti en multiferroisk, och hur magnetiseringen är kopplad till den elektriska ordningen.

Oväntade egenskaper

Om atomerna inuti ett material är ordnade på ett så komplicerat sätt, det är också mycket troligt att den har andra egenskaper som inte är uppenbara vid första anblicken. "Det är därför vi inte ville begränsa oss till de välkända fenomen som har studerats under lång tid, utan försök istället se vilka andra användbara saker multiferroics kan göra, " Fiebig säger, och illustrerar hans forskningsansats:"Hur kan vi kombinera pusselbitarna igen - det vill säga, ordningsparametrarna – på andra sätt än de som redan är kända, och därmed få nya och användbara egenskaper?"

Denna öppenhet mot det oväntade har gett resultat. Fiebig och hans medarbetare hittade så småningom en multiferroic där den övergripande magnetiseringen inte bara är jämnt orienterad av ett applicerat fält, som vanligt. Klart, som skulle radera all magnetiskt lagrad information - fördelningen av positivt och negativt magnetiserade områden inuti materialet. Snarare, de använde fältet för att invertera magnetiseringen i varje enskild region av materialet. Positivt magnetiserade områden var, därför, förvandlats till negativt magnetiserade, och vice versa. Den magnetiska informationen som finns i arrangemanget av regionerna, dock, förblev intakt under processen. "Det är som om vi inverterade varenda bit på en hårddisk på en gång, " Fiebig förklarar. "Normalt, man skulle behöva skriva om varje bit individuellt, men vi kan göra det med en enda magnetfältspuls."

Inversion på en gång

Forskarna vid ETH fann denna magnetiska motsvarighet till aktiv brusreducering i en multiferroic som består av kobolt, tellur och syre. På grund av sin komplexa kristallstruktur, inte bara kan det materialet på en gång polariseras magnetiskt och elektriskt, men det kan också ha flera ordningsparametrar som beskriver dess magnetisering:en som bestämmer den magnetiska orienteringen för en enskild region, och en annan som "minns" formen och arrangemanget av dessa områden inuti hela materialet.

Med hjälp av en specialiserad bildteknik, varvid polariserat laserljus skickas genom kristallen och ändrar dess färg i processen, forskarna kunde direkt göra inversionsprocessen rumsligt synlig.

Som om det inte vore nog, fysikerna kunde också åstadkomma en liknande bedrift med omvända roller. I en multiferroic innehållande atomer av mangan, germanium och syre, magnetfältet inverterade nu inte magnetiseringen, men materialets elektriska polarisering. För forskarna, det är ytterligare ett bevis på att multiferroics fortfarande har många överraskningar. "Det finns förmodligen mycket mer att upptäcka som vi inte ens kan föreställa oss idag, säger Fiebig.