Om du byter en bit i minnet på en dator och sedan byter tillbaka igen, har du återställt det ursprungliga tillståndet. Det finns bara två tillstånd som kan kallas "0 och 1".

Men en fantastisk effekt har nu upptäckts vid TU Wien (Wien):I en kristall baserad på oxider av gadolinium och mangan hittades en atombrytare som måste växlas fram och tillbaka inte bara en, utan två gånger, tills originalet tillstånd nås igen. Under denna dubbla på- och avstängningsprocess utför spinn av gadoliniumatomer en hel rotation. Detta påminner om en vevaxel, där en upp-och-ned-rörelse omvandlas till en cirkulär rörelse.

Detta nya fenomen öppnar för intressanta möjligheter inom materialfysik. Även information skulle kunna lagras med sådana system. Den märkliga atombrytaren har nu presenterats i den vetenskapliga tidskriften Nature .

Koppling av elektriska och magnetiska egenskaper

Normalt skiljer man mellan materials elektriska och magnetiska egenskaper. Elektriska egenskaper är baserade på det faktum att laddningsbärare rör sig – till exempel elektroner som färdas genom en metall eller joner vars position är förskjuten.

Magnetiska egenskaper, å andra sidan, är nära besläktade med atomernas spinn – partikelns inneboende rörelsemängd, som kan peka i en mycket specifik riktning, ungefär som jordens rotationsaxel pekar i en mycket specifik riktning.

Men det finns också material där elektriska och magnetiska fenomen är mycket nära kopplade. Prof. Andrei Pimenov och hans team vid Institute of Solid State Physics vid TU Wien forskar om sådana material. "Vi exponerade ett speciellt material av gadolinium, mangan och syre för ett magnetfält och mätte hur dess elektriska polarisering förändrades under processen", säger Andrei Pimenov. "Vi ville analysera hur materialets elektriska egenskaper kan förändras genom magnetism. Och överraskande nog stötte vi på ett helt oförutsett beteende."

Tillbaka till början i fyra steg

I början är materialet elektriskt polariserat - på ena sidan är det positivt laddat, på andra sidan negativt laddat. Sedan slår du på ett starkt magnetfält — och polarisationen förändras väldigt lite. Men om du sedan stänger av magnetfältet igen blir en dramatisk förändring uppenbar:plötsligt vänder polarisationen:Den sida som var positivt laddad tidigare är nu negativt laddad, och vice versa.

Nu kan du gå igenom samma process en andra gång:Återigen slår du på magnetfältet och den elektriska polarisationen förblir ungefär konstant. Om du stänger av magnetfältet vänder polarisationen igen och återgår därmed till sitt ursprungliga tillstånd.

"Detta är extremt anmärkningsvärt", säger Andrei Pimenov. "Vi utför fyra olika steg, varje gång materialet ändrar sina inre egenskaper, men bara två gånger ändras polarisationen, så du når initialtillståndet först efter det fjärde steget."

Fyrtaktsmotor för gadolinium

En närmare titt visar att gadoliniumatomerna är ansvariga för detta beteende:De ändrar sin spinnriktning vid vart och ett av de fyra stegen, varje gång med 90 grader. "På sätt och vis är det en fyrtaktsmotor för atomer", säger Andrei Pimenov. "Också i en fyrtaktsmotor tar det fyra steg för att komma tillbaka till det ursprungliga tillståndet — och cylindern rör sig upp och ner två gånger under processen. I vårt fall rör sig magnetfältet upp och ner två gånger före det ursprungliga tillståndet. återställs och gadoliniumatomernas spinn pekar i den ursprungliga riktningen igen."

Teoretiskt sett skulle sådana material kunna användas för att lagra information:ett system med fyra möjliga tillstånd skulle ha en lagringskapacitet på två bitar per switch, istället för den vanliga informationsbiten för "0" eller "1". Men effekten är också särskilt intressant för sensorteknik:man skulle till exempel kunna producera en räknare för magnetiska pulser på detta sätt. Effekten ger viktiga nya input för teoretisk forskning:det är ytterligare ett exempel på en så kallad "topologisk effekt", en klass av materiella effekter som har väckt stor uppmärksamhet inom fasta tillståndets fysik i flera år och som borde möjliggöra utvecklingen av nya material. + Utforska vidare

Fysiker upptäcker nya magnetoelektriska effekter