Multiferroics anses vara mirakulösa material för framtida datalagring - så länge deras speciella egenskaper kan bevaras vid datorns driftstemperaturer. Denna uppgift har nu utförts av forskare vid Paul Scherrer Institute PSI, med kollegor från Institut Laue-Langevin ILL i Grenoble. Med detta, de har tagit dessa material ett steg närmare praktiska tillämpningar. Användningen av multiferroics lovar mer energieffektiva datorer eftersom ett elektriskt fält skulle räcka för magnetisk datalagring. För att producera detta, mycket mindre effekt och kylning krävs än med konventionell magnetisk lagring. Multiferroics kombinerar magnetiska och elektriska egenskaper för att bilda ett material som är extremt sällsynt. De flesta sådana material uppvisar bara dessa två egenskaper vid temperaturer långt under fryspunkten. För att hålla de magnetiska egenskaperna stabila även vid hundra grader, forskarna har använt ett trick. De använde atomer som var mindre än de som användes i tidigare undersökningar, gör materialet mer kompakt. Detta var tillräckligt för att göra dess struktur motståndskraftig mot värme och bevara dess avgörande magnetiska egenskaper. Forskarna publicerade sina resultat idag i tidskriften Vetenskapliga framsteg .

Datorer körs ofta kontinuerligt, förbrukar många kilowattimmar el per år. De flesta av dem används för datalagring. Data skrivs på hårddiskar som magnetiska bitar i ett 0- eller 1-tillstånd, en process som kräver en kontinuerlig omkastning av polaritet från plus till minus och vice versa. Denna magnetiska polomvändning förbrukar mycket energi, och leder till allvarlig värmeavgivning. Det är därför datorer måste kylas intensivt medan de är i drift. Detta kräver mycket el, höga kostnader och är inte miljövänligt. Forskare har länge letat efter ett material som eliminerar denna nackdel med konventionell magnetisk datalagring.

Under några år, de så kallade magneto-elektriska multiferroikerna har lockat forskarnas intresse som ett möjligt alternativ. Med dessa material, den nödvändiga magnetfunktionen kan uppnås genom att applicera en elektrisk istället för ett magnetfält, eftersom dessa två fysikaliska egenskaper är sammankopplade i materialet. Detta tillstånd uppstår vanligtvis vid mycket låga temperaturer, vanligtvis under minus 173 grader Celsius, och försvinner igen vid dagliga temperaturer.

Två år sedan, en arbetsgrupp på PSI lyckades flytta temperaturgränsen till 37 grader Celsius. Detta var ett stort steg framåt, men det var fortfarande inte tillräckligt för att tänka på att använda den i bärbara datorer och andra starkt uppvärmda datalagringssystem. Nu, PSI-forskarna Marisa Medarde och Tian Shang har lyckats stabilisera en magneto-elektrisk, multiferroiskt material som behåller de nödvändiga magnetiska egenskaperna även vid 100 grader Celsius. "Denna temperatur är mer än 60 grader Celsius högre än tidigare, "Medarde säger förtjust." Även om det fortfarande behövs mycket mer forskning, vi är nu lite närmare en möjlig användning av detta material i datorer. "

Två i en

Den relativt nya klassen av magneto-elektriska multiferroics inkluderar olika blandningar av kemiska element. Dessa har en sak gemensamt:de innehåller samtidigt små magneter och en kombination av positiva och negativa elektriska laddningar, de så kallade elektriska dipolerna. Elektriska dipoler kan vanligtvis påverkas genom att applicera ett elektriskt fält och små magneter genom att applicera ett magnetfält. För ett multiferroiskt material, ett elektriskt fält är tillräckligt för båda. I praktiken, elektriska fält är mycket enklare och billigare att producera. De förbrukar mycket mindre el. Det är detta som gör magneto-elektriska multiferroiker så intressanta ur ett ekonomiskt perspektiv. Men hur kan man uppnå det omöjliga?

I sitt laboratorium vid PSI, fysikern Shang visar olika grå, vita och gula kristallpulver, som han värmer upp i en laboratorieugn för att förbereda multiferroiska material för sina experiment:"Här, vi använder barium, koppar, järn och sällsynta jordarter, och vi värmer dem till över 1, 100 grader Celsius i två dagar. Sedan kyler vi långsamt ner pulvren till rumstemperatur, tryck ner dem i pellets, och värm dem sedan igen i 50 timmar. De släcks sedan plötsligt i flytande kväve. "Det tråkiga gråmaterialet i pelleten som härrör från detta förfarande är en så kallad skiktad koppar-järnperovskit, en kristall. Den är tillräckligt liten för att passa på en fingertopp och verkar vid första anblicken inte särskilt spektakulär.

Frustrerade magneter

Materialets särdrag finns på atomernas osynliga nivå, mer exakt:i sin kristallgitterstruktur. Detta kan avbildas som bestående av flera staplade gitterburar med barium- och yttriumatomer i sina hörn. Inuti burarna, små magneter av koppar och järn finns. Elektromagnetiska krafter verkar mellan de enskilda magneterna, bestämma deras relativa orientering. I vanliga fall, två magneter är inriktade parallellt eller motsatta till varandra. Men det kan också hända att de magnetiska krafterna verkar från väldigt olika håll. Då pendlar magneterna som små kompassnålar. Den tekniska termen för ett sådant material är en frustrerad magnet. För att undvika detta instabila tillstånd samtidigt som magnetismen bevaras, koppar-järnmagneterna ordnas till en spiral. Förstorad, det här ser ut som många överlagrade kompassnålar, varje efterföljande vriden med en liten vinkel. "Detta spiralarrangemang kan orsaka elektrisk polarisering och därmed vara ansvarigt för de ferroelektriska egenskaperna i materialet, "förklarar Medarde.

Således, när magneterna är spiralformade, de inducerar elektriska dipoler i gallret och materialet får både kopplade egenskaper - elektriska och magnetiska. Vid normala temperaturer, kompassnålarna förlorar sitt spiralformade arrangemang, vilket också gör att de kopplade multiferroiska egenskaperna försvinner. Att magnetspiralerna i materialet kan "frysas" genom mycket snabb nedkylning hade Medarde och hennes grupp redan visat i ett tidigare arbete. I deras senaste utredning, Medarde och Shang har nu finjusterat det multiferroiska kristallgittret. Med mikroskopiskt små justeringar, de har lyckats höja dess temperaturstabilitet till 100 grader Celsius.

Närhet skapar styrka

För att kyla materialet extremt snabbt, Shang använde ett knep som kemister har känt till under lång tid:han minskade helt enkelt avstånden mellan några atomer i kristallgittret, föra dem närmare varandra. Som ett resultat av det nya, mer kompakt design, de elektromagnetiska krafterna i kristallen förändrades på ett sådant sätt att spiralstrukturen hos koppar-järnmagneterna förblev stabil även vid högre temperaturer.

Shang uppnådde detta genom att ersätta några bariumatomer i kristallgittret med de mindre atomerna av grundämnet strontium. Han tillsatte strontium under produktionen av materialet i reaktionsugnen innan han slutligen kylde ner materialet igen på det etablerade sättet.

Nästa, fysikern ville veta om kombinationen av de två metoderna verkligen hade haft önskad effekt. Shang studerade det gråsvarta materialet med olika mätmetoder, inklusive undersökningar vid Swiss Spallation Neutron Source SINQ, en storskalig forskningsanläggning vid PSI. Med hjälp av specialinstrument, han lyckades identifiera de magnetiska spiralernas fingeravtryck. Av särskild betydelse för forskaren var ett instrument med det komplicerade namnet på en neutrondiffraktometer. Med den här enheten, som Shang använde vid både SINQ och Institut Laue-Langevin ILL i Grenoble, han fick reda på var atomerna finns i kristallgitteret och hur långt ifrån varandra de är från varandra.

"Effekten av snabb materialkylning plus att minska avståndet mellan atomerna summeras tillsammans. Magnetspiralens stabilitetsområde är nu mycket högre än tidigare, "sa Shang. Han har därmed nått det temperaturintervall som behövs för användning i datorer. Men enligt fysikerna, det kommer att ta ett tag innan materialet faktiskt används för att lagra data i framtiden. För detta, det kommer också att behöva prestera i tunnfilmslager, där mycket mindre material används. Medarde och Shang arbetar redan med detta. Och de försöker pressa perovskitkristallen ännu mer genom att införliva atomer som är ännu mindre än strontium. Om båda strategierna är framgångsrika, Det finns en god chans att multiferroiskt material en dag kommer att vara grunden för att revolutionera datalagringstekniken.