En firetaktsmotor til atomer

Hvis du skifter lidt i hukommelsen på en computer og derefter skifter tilbage igen, har du gendannet den oprindelige tilstand. Der er kun to tilstande, der kan kaldes "0 og 1."

Imidlertid er der nu opdaget en fantastisk effekt på TU Wien (Wien):I en krystal baseret på oxider af gadolinium og mangan blev der fundet en atomkontakt, der skal skiftes frem og tilbage ikke bare én, men to gange, indtil den originale tilstand nås igen. Under denne dobbelte til- og frakoblingsproces udfører spin af gadolinium-atomer en hel rotation. Dette minder om en krumtapaksel, hvor en op-og-ned-bevægelse omdannes til en cirkulær bevægelse.

Dette nye fænomen åbner interessante muligheder inden for materialefysik. Selv information kunne lagres med sådanne systemer. Den mærkelige atomafbryder er nu blevet præsenteret i det videnskabelige tidsskrift Nature .

Kobling af elektriske og magnetiske egenskaber

Normalt skelnes der mellem materialers elektriske og magnetiske egenskaber. Elektriske egenskaber er baseret på det faktum, at ladningsbærere bevæger sig - for eksempel elektroner, der bevæger sig gennem et metal eller ioner, hvis position er forskudt.

Magnetiske egenskaber er derimod tæt beslægtede med atomernes spin – partiklens iboende vinkelmomentum, som kan pege i en meget specifik retning, ligesom Jordens rotationsakse peger i en meget specifik retning.

Der er dog også materialer, hvor elektriske og magnetiske fænomener er meget tæt forbundet. Prof. Andrei Pimenov og hans team ved Institute of Solid State Physics ved TU Wien forsker i sådanne materialer. "Vi udsatte et specielt materiale lavet af gadolinium, mangan og oxygen for et magnetfelt og målte, hvordan dets elektriske polarisering ændrede sig i processen," siger Andrei Pimenov. "Vi ville analysere, hvordan materialets elektriske egenskaber kan ændres ved magnetisme. Og overraskende nok stødte vi på en fuldstændig uforudset adfærd."

Tilbage til begyndelsen i fire trin

I begyndelsen er materialet elektrisk polariseret - på den ene side er det positivt ladet, på den anden side negativt ladet. Så tænder du for et stærkt magnetfelt - og polariseringen ændrer sig meget lidt. Men hvis du derefter slukker for magnetfeltet igen, bliver en dramatisk ændring tydelig:pludselig vender polarisationen:Den side, der var positivt ladet før, er nu negativt ladet, og omvendt.

Nu kan du gennemgå den samme proces en anden gang:Igen tænder du for magnetfeltet, og den elektriske polarisering forbliver nogenlunde konstant. Hvis du slukker for magnetfeltet, vender polariseringen igen og vender dermed tilbage til sin oprindelige tilstand.

"Dette er ekstremt bemærkelsesværdigt," siger Andrei Pimenov. "Vi udfører fire forskellige trin, hver gang materialet ændrer dets indre egenskaber, men kun to gange ændres polariseringen, så du når først starttilstanden efter det fjerde trin."

Fire-takts motor til gadolinium

Et nærmere kig viser, at gadolinium-atomerne er ansvarlige for denne adfærd:De ændrer deres spin-retning ved hvert af de fire trin, hver gang med 90 grader. "På en måde er det en firetaktsmotor til atomer," siger Andrei Pimenov. "I en firetaktsmotor tager det også fire trin at komme tilbage til starttilstanden – og cylinderen bevæger sig op og ned to gange i processen. I vores tilfælde bevæger magnetfeltet sig op og ned to gange før starttilstanden. er genoprettet, og gadoliniumatomernes spin peger i den oprindelige retning igen."

Teoretisk set kunne sådanne materialer bruges til at lagre information:et system med fire mulige tilstande ville have en lagerkapacitet på to bits pr. switch, i stedet for den sædvanlige en bit information for "0" eller "1". Men effekten er også særlig interessant for sensorteknologi:Man kunne for eksempel på denne måde producere en tæller for magnetiske impulser. Effekten giver vigtige nye input til teoretisk forskning:det er endnu et eksempel på en såkaldt "topologisk effekt", en klasse af materielle effekter, der har tiltrukket sig stor opmærksomhed i faststoffysik i årevis og burde muliggøre udvikling af nye materialer. + Udforsk yderligere

Fysikere opdager ny magnetoelektrisk effekt