Perfekt inversion af komplekse strukturer

Perfekt invertering af komplekse strukturer er af stor teknisk betydning. Det er nu lykkedes forskere ved ETH at vende materialers magnetiske og elektriske struktur til deres modsætninger ved hjælp af en enkelt magnetfeltimpuls.

I ubehageligt højlydte omgivelser, aktiv støjreduktion er blevet brugt i høretelefoner og luksusbiler i de senere år. En mikrofon opfanger den forstyrrende støj, hvorfra en computerchip beregner de passende modforanstaltninger:lydbølger, hvis faser er nøjagtigt modsatte af den omgivende lyds. Interferensen mellem disse bølger sletter effektivt støjen. Fysikere og ingeniører søger at anvende dette princip om perfekt inversion til andre teknologier - f.eks. til den magnetiske struktur af materialer. ETH-professor Manfred Fiebig og hans samarbejdspartnere ved Institut for Materialer i Zürich er nu lykkedes med at gøre netop det, med støtte fra videnskabsmænd i Europa, Japan og Rusland. Deres resultater offentliggøres i denne uge i det videnskabelige tidsskrift Natur .

Fiebigs team brugte såkaldte multiferroics til deres eksperimenter. I modsætning til mange andre materialer, der har enten magnetisk eller elektrisk orden, multiferroics besidder begge dele:De er magnetisk og, på samme tid, elektrisk polariseret og, som en konsekvens, justere sig både langs magnetiske og langs elektriske felter. De fysiske mekanismer, der frembringer den magnetiske og elektriske orden inde i materialet, er subtilt koblet til hinanden. Dette gør det muligt at påvirke magnetiseringen ved hjælp af elektriske felter frem for magnetiske felter. "Det er meget mere effektivt, da man har brug for elektrisk strøm for at skabe magnetiske felter, og det koster meget energi og skaber irriterende spildvarme, " forklarer Naëmi Leo, en tidligere ph.d. elev i Fiebigs laboratorium. I computere, for eksempel, hvor data konstant skrives på magnetiske harddiske, multiferroics kunne være nøglematerialer til betydelige energibesparelser.

Inspiration fra Tangram-former

På ETH, som har været en international leder inden for multiferroisk forskning i temmelig lang tid, videnskabsmænd tog denne idé et skridt videre. "Et materiale, der gør det muligt at kontrollere sin magnetisering ved hjælp af elektriske felter, må nødvendigvis have en ret kompleks struktur, " siger Fiebig.

Han bruger det kinesiske Tangram-puslespil til at illustrere dette princip:Jo flere brikker der er til rådighed – trekanter, firkanter og parallelogrammer - jo mere komplicerede former er mulige. I tilfælde af multiferroics, formerne svarer til materialets symmetri, som bestemmer dens fysiske egenskaber. Jo mere komplekse disse symmetrier, jo mere varierede er de såkaldte ordreparametre. De beskriver den retning, hvori magnetiseringen peger inde i en multiferroisk, og hvordan magnetiseringen er koblet til den elektriske orden.

Uventede egenskaber

Hvis atomerne inde i et materiale er arrangeret på en så kompliceret måde, det er også meget sandsynligt, at det har andre egenskaber, som ikke er tydelige ved første øjekast. "Derfor ønskede vi ikke at begrænse os til de velkendte fænomener, der har været undersøgt i lang tid, men prøv hellere at se, hvilke andre nyttige ting multiferroics kan gøre, " siger Fiebig, og illustrerer hans forskningstilgang:"Hvordan kan vi rekombinere brikkerne i puslespillet - dvs. rækkefølgeparametrene - på andre måder end de allerede kendte, og dermed opnå nye og nyttige egenskaber?"

Denne åbenhed over for det uventede har givet pote. Fiebig og hans medarbejdere fandt til sidst en multiferroisk, hvor den overordnede magnetisering ikke bare er jævnt orienteret af et anvendt felt, som sædvanligt. Klart, der ville slette enhver magnetisk lagret information - fordelingen af ​​positivt og negativt magnetiserede områder inde i materialet. Hellere, de brugte feltet til at invertere magnetiseringen i hver enkelt region af materialet. Positivt magnetiserede områder var, derfor, forvandlet til negativt magnetiserede, og omvendt. Den magnetiske information indeholdt i arrangementet af regionerne, imidlertid, forblev intakt i processen. "Det er, som om vi inverterede hver eneste bit på en harddisk på én gang, " forklarer Fiebig. "Normalt, man skulle omskrive hver bit individuelt, men vi kan gøre det med en enkelt magnetfeltpuls."

Inversion på én gang

Forskerne ved ETH fandt denne magnetiske ækvivalent til aktiv støjreduktion i en multiferroisk sammensat af kobolt, tellur og oxygen. På grund af sin komplekse krystalstruktur, ikke kun kan dette materiale på én gang polariseres magnetisk og elektrisk, men det kan også have flere ordensparametre, der beskriver dets magnetisering:en, der bestemmer den magnetiske orientering af et enkelt område, og en anden, der "husker" formen og arrangementet af disse områder inde i hele materialet.

Ved hjælp af en specialiseret billedbehandlingsteknik, hvorved polariseret laserlys sendes gennem krystallen og ændrer dens farve i processen, forskerne kunne direkte gøre inversionsprocessen rumligt synlig.

Som om det ikke var nok, fysikerne var også i stand til at udføre en lignende bedrift med omvendte roller. I et multiferroic indeholdende atomer af mangan, germanium og oxygen, magnetfeltet inverterede nu ikke magnetiseringen, men den elektriske polarisering af materialet. For forskerne, det er et yderligere bevis på, at multiferroics stadig rummer mange overraskelser. "Der er sandsynligvis meget mere at finde, som vi ikke engang kan forestille os i dag, " siger Fiebig.