Ett team av forskare har upptäckt det första robusta exemplet på en ny typ av magnet – en som lovar att förbättra prestandan hos datalagringsteknologier.

Denna "singletbaserade" magnet skiljer sig från konventionella magneter, där små magnetiska beståndsdelar ligger i linje med varandra för att skapa ett starkt magnetfält. Däremot den nyligen upptäckta singelbaserade magneten har fält som dyker in och ut ur existensen, vilket resulterar i en instabil kraft – men också en som potentiellt har mer flexibilitet än konventionella motsvarigheter.

"Det finns en hel del forskning i dessa dagar om användningen av magneter och magnetism för att förbättra datalagringsteknologier, " förklarar Andrew Wray, en biträdande professor i fysik vid New York University, som ledde forskargruppen. "Singlet-baserade magneter bör ha en mer plötslig övergång mellan magnetiska och icke-magnetiska faser. Du behöver inte göra så mycket för att få materialet att växla mellan icke-magnetiska och starkt magnetiska tillstånd, vilket kan vara fördelaktigt för strömförbrukning och växlingshastighet inuti en dator.

"Det finns också en stor skillnad i hur den här typen av magnetism kopplas ihop med elektriska strömmar. Elektroner som kommer in i materialet interagerar väldigt starkt med de instabila magnetiska momenten, istället för att bara passera. Därför, Det är möjligt att dessa egenskaper kan hjälpa till med prestandaflaskhalsar och möjliggöra bättre kontroll över magnetiskt lagrad information."

Arbetet, publiceras i tidskriften Naturkommunikation , inkluderade också forskare från Lawrence Berkeley National Laboratory, National Institute of Standards and Technology, University of Maryland, Rutgers University, Brookhaven National Laboratory, Binghamton University, och Lawrence Livermore National Laboratory.

Idén till denna typ av magnet går tillbaka till 1960-talet, baserad på en teori som stod i skarp kontrast till vad som länge varit känt om konventionella magneter.

En typisk magnet innehåller en mängd små "magnetiska moment" som är låsta i linje med andra magnetiska moment, alla agerar unisont för att skapa ett magnetfält. Att utsätta denna enhet för värme kommer att eliminera magnetismen; dessa små ögonblick kommer att finnas kvar – men de kommer att peka i slumpmässiga riktningar, inte längre i linje.

En banbrytande tanke för 50 år sedan, däremot, ansåg att ett material som saknar magnetiska moment fortfarande kan vara en magnet. Detta låter omöjligt, forskarna noterar, men det fungerar på grund av ett slags tillfälligt magnetiskt ögonblick som kallas en "spin exciton, " som kan uppstå när elektroner kolliderar med varandra under rätt förhållanden.

"En enda snurr exciton tenderar att försvinna på kort tid, men när du har många av dem, teorin föreslog att de kan stabilisera varandra och katalysera uppkomsten av ännu fler spinnexcitoner, i en slags kaskad, " förklarar Wray.

I Naturkommunikation forskning, forskarna försökte avslöja detta fenomen. Flera kandidater hade hittats från 1970-talet, men alla var svåra att studera, med magnetism endast stabil vid extremt låga temperaturer.

Genom att använda neutronspridning, röntgenspridning, och teoretiska simuleringar, forskarna etablerade en koppling mellan beteendet hos en mycket mer robust magnet, USb2, och de teoretiserade egenskaperna hos singlettbaserade magneter.

"Det här materialet hade varit en ganska gåta under de senaste decennierna - sättet som magnetism och elektricitet pratar med varandra inuti det var kända för att vara bisarra och börjar först bli meningsfullt med denna nya klassificering, " anmärker Lin Miao, en NYU-postdoktor och tidningens första författare.

Specifikt, de fann att USb2 innehåller de kritiska ingredienserna för denna typ av magnetism - särskilt en kvantmekanisk egenskap som kallas "Hundness" som styr hur elektroner genererar magnetiska moment. Hundness har nyligen visat sig vara en avgörande faktor för en rad kvantmekaniska egenskaper, inklusive supraledning.