Nyt datalagringsmateriale bevarer sine specielle magnetiske egenskaber selv ved stuetemperatur

Et nyt materiale kan blive grundlaget for fremtidige datalagringsenheder, da det kan muliggøre betydelige reduktioner i energibehov i forhold til nutidens harddiske. Dette er et materiale fra klassen af ​​såkaldte magnetoelektriske multiferroer, hvis kendetegn er, at deres magnetiske og elektriske egenskaber er koblet til hinanden. Takket være denne kobling, det burde være muligt at skrive magnetiske bits ved hjælp af mere energieffektive elektriske felter. Det har længe været forventet, at denne klasse materialer kunne tjene som grundlag for computerhukommelser i fremtiden. Fordelen ved det nyudviklede multiferroiske materiale:Det udviser de nødvendige magnetiske egenskaber selv ved stuetemperatur, og ikke kun - som med de fleste magnetoelektriske multiferroer til dato - når de er afkølet til meget lave temperaturer, typisk minus 200 grader celsius. PSI -forskerne rapporterer deres nye resultater i tidsskriftet Naturkommunikation .

Forskere på PSI har skabt et nyt materiale, der rummer et enormt potentiale for fremtidige datalagringsmedier. Dette er et såkaldt magnetoelektrisk multiferroisk materiale med en afgørende forbedring:Det bevarer de nødvendige magnetiske egenskaber ved op til stuetemperatur og er dermed velegnet til hverdagsbrug.

Magnetoelektriske multiferroiske materialer er ekstremt sjældne. I dem, de magnetiske og elektriske egenskaber er koblet til hinanden. Som resultat, de magnetiske egenskaber kan styres gennem påføring af et elektrisk felt. Elektriske felter kan genereres lettere og mere effektivt end magnetfelter. Når et elektrisk felt påføres magnetoelektriske multiferroer, det har en effekt på materialets elektriske egenskaber. Gennem den magnetoelektriske kobling, så får du en ændring i de magnetiske egenskaber gratis, siger Marisa Medarde, hovedforfatter til den nye undersøgelse, beskriver denne særlige klasse af materialer.

Lagring af data og energibesparelse

Nutidens computerharddiske gemmer data i form af magnetiske bits, der skrives ved anvendelse af et magnetfelt. I modsætning, lagringsmedier baseret på multiferroics ville have flere fordele:Magnetisk lagring kunne opnås ved anvendelse af et elektrisk felt, hvilket ville kræve betydeligt mindre energi enheder ville producere mindre spildvarme og dermed også have lavere krav til køling, gør det muligt at reducere brugen af ​​ventilatorer og aircondition. I betragtning af at cloud computing bruger mange billioner kilowatt-timers strøm årligt, besparelser på dette område er af stor betydning.

I næsten alle materialer, magnetisme, som findes for eksempel i jern, og ferroelektricitet - en særlig elektrisk egenskab ved materialer - udelukker hinanden. Her repræsenterer multiferroiske materialer en undtagelse:De er magnetiske såvel som ferroelektriske; ud over, disse to egenskaber er koblet til hinanden. Materialer, som forskere har været i stand til at skabe indtil nu, imidlertid, viser multiferroisk adfærd næsten udelukkende ved meget lave temperaturer, såsom minus 200 grader celsius. PSI-forskernes nye materiale er en nyskabelse i den henseende.

Syntese, ejendomsoptimering, og analyser på PSI

Forskerne kom frem til deres nye materiale ved at skræddersy både dets kemiske sammensætning og den nøjagtige produktionsproces. De fandt i sidste ende, at materialet med den kemiske formel YBaCuFeO5 er egnet, og at det giver de bedste resultater, når det først opvarmes til en høj temperatur og derefter udsættes for en ekstremt hurtig afkøling. Ved høje temperaturer, atomer arrangerer sig selv på en sådan måde, at de er nyttige til vores formål, Medarde forklarer. Den hurtige afkøling fryser i det væsentlige dette arrangement på plads. Den underliggende metode til hurtig afkøling - også kendt som slukning - er kendt fra fremstilling af særligt hårde metaller og har været brugt i århundreder, for eksempel, i hærdende stålsværd. PSI -forskerne, imidlertid, anvendte meget mere ekstreme temperaturer:De opvarmede først deres materiale til 1000 grader Celsius og afkølede det derefter brat og hurtigt til minus 200 grader Celsius. Efter at materialet er taget ud af dette kølebad, den bevarer sine specielle magnetiske egenskaber op til og noget over stuetemperatur.

Proceduren for syntese og ejendomsoptimering blev udviklet på PSI, hvor materialerne også blev produceret og efterfølgende analyseret på to store forskningsfaciliteter, den schweiziske Spallation Neutron Source SINQ og den schweiziske lyskilde SLS. Vores nye materiale indeholder ikke dyre ingredienser, Medarde rapporterer gerne. Og produktionsmetoden – nu hvor vi har udarbejdet detaljerne – er nem at omsætte i praksis.

Det nye materiale skyldes sine egenskaber ved eksistensen af ​​såkaldte magnetiske spiraler på atomniveau. Disse små spiraler er ansvarlige for koblingen af ​​magnetisme og ferroelektricitet. I de fleste materialer, magnetiske spiraler forsvinder, når materialet bliver varmere end omkring minus 200 grader Celsius. PSI -forskerne ser deres hovedpræstation i at have skabt et materiale, hvor magnetiske spiraler er stabile ved stuetemperatur. Selv ved 30 grader Celsius, vores magnetiske spiraler var stadig til stede, Siger Medarde.

En slægtning til superlederne ved høj temperatur

Materialet YBaCuFeO5 er faktisk ikke helt nyt. Forbindelsen blev faktisk syntetiseret for første gang i 1988. Nu, imidlertid, PSI -forskernes særlige fremstillingsproces arrangerer præcist jern- og kobberatomerne på en sådan måde, at materialet får helt nye egenskaber. YBaCuFeO ₅ er nært beslægtet med yttrium barium kobberoxid, kemisk betegnelse YBa ₂ Cu ₃ O _6+x , en gruppe superledere opdaget i 1987, som forbliver superledende op til relativt høje temperaturer:Nogle af dem mister deres superledende egenskaber ved temperaturer omkring minus 180 grader Celsius – dvs. omkring 200 grader lavere end spiralordretemperaturen for det nye materiale udviklet på PSI.