Metode til at kontrollere magnetisk adfærd i kvantemateriale

Magnetisme, en af ​​de ældste teknologier, som mennesker kender, er på forkant med nye tidsaldermaterialer, der kunne muliggøre næste generations tabsfri elektronik og kvantecomputere. Forskere ledet af Penn State og University of California, San Diego, har opdaget en ny "knap" til at kontrollere den magnetiske opførsel af et lovende kvantemateriale, og resultaterne kan bane vejen mod nye, effektive og ultrahurtige enheder.

"Den unikke kvantemekaniske sammensætning af dette materiale - manganvismuttellurid - gør det muligt for det at bære tabsfri elektriske strømme, noget af enorm teknologisk interesse," sagde Hari Padmanabhan, der ledede forskningen som kandidatstuderende ved Penn State. "Det, der gør dette materiale særligt spændende, er, at denne adfærd er dybt forbundet med dets magnetiske egenskaber. Så en knap til at styre magnetisme i dette materiale kunne også effektivt kontrollere disse tabsfrie strømme."

Manganvismuttellurid, et 2D-materiale lavet af atomisk tynde stablede lag, er et eksempel på en topologisk isolator, eksotiske materialer, der samtidigt kan være isolatorer og ledere af elektricitet, sagde forskerne. Det er vigtigt, fordi dette materiale også er magnetisk, kan strømmene, der føres rundt om dets kanter, være tabsfrie, hvilket betyder, at de ikke mister energi i form af varme. At finde en måde at tune de svage magnetiske bindinger mellem lagene af materialet kunne frigøre disse funktioner.

Små vibrationer af atomer eller fononer i materialet kan være en måde at opnå dette på, rapporterede forskerne den 8. april i tidsskriftet Nature Communications .

"Fononer er små atomare vrikker - atomer, der danser sammen i forskellige mønstre, til stede i alle materialer," sagde Padmanabhan. "Vi viser, at disse atomare vrikker potentielt kan fungere som en knap til at justere den magnetiske binding mellem atomlagene i mangan-vismuttellurid."

Forskerne ved Penn State studerede materialet ved hjælp af en teknik kaldet magneto-optisk spektroskopi - skyder en laser på en prøve af materialet og måler farven og intensiteten af ​​det reflekterede lys, som bærer information om atomvibrationerne. Holdet observerede, hvordan vibrationerne ændrede sig, da de ændrede temperaturen og magnetfeltet.

Da de ændrede magnetfeltet, observerede forskerne ændringer i fononernes intensitet. Denne effekt skyldes, at fononerne påvirker den svage magnetiske binding mellem lag, sagde forskerne.

"Ved at bruge temperatur og magnetfelt til at variere materialets magnetiske struktur - meget som at bruge en køleskabsmagnet til at magnetisere et nålekompas - fandt vi ud af, at fononintensiteterne var stærkt korreleret med den magnetiske struktur," sagde Maxwell Poore, kandidatstuderende ved UC San Diego, og medforfatter af undersøgelsen. "Ved at parre disse resultater med teoretiske beregninger udledte vi, at disse atomare vibrationer ændrer den magnetiske binding på tværs af lag af dette materiale."

Forskere ved UC San Diego udførte eksperimenter for at spore disse atomare vibrationer i realtid. Phononerne oscillerer hurtigere end en billion gange i sekundet, mange gange hurtigere end moderne computerchips, sagde forskerne. En 3,5 gigahertz computerprocessor fungerer for eksempel med en frekvens på 3,5 milliarder gange i sekundet.

"Det, der var smukt ved dette resultat, var, at vi studerede materialet ved hjælp af forskellige komplementære eksperimentelle metoder på forskellige institutioner, og de konvergerede alle bemærkelsesværdigt til det samme billede," sagde Peter Kim, kandidatstuderende ved UC San Diego, og medforfatter af papiret. .

Yderligere forskning er nødvendig for direkte at bruge den magnetiske knap, sagde forskerne. Men hvis det kan opnås, kan det føre til ultrahurtige enheder, der effektivt og reversibelt kan kontrollere tabsfrie strømme.

"En stor udfordring ved at lave hurtigere, mere kraftfulde elektroniske processorer er, at de opvarmes," sagde Venkatraman Gopalan, professor i materialevidenskab og teknik og fysik ved Penn State, Padmanabhans tidligere rådgiver og medforfatter til papiret. "Opvarmning spilder energi. Hvis vi kunne finde effektive måder at kontrollere materialer, der er vært for tabsfri strømme, ville det potentielt give os mulighed for at implementere dem i fremtidige energieffektive elektroniske enheder." + Udforsk yderligere

Stærke magneter sætter et nyt twist på fononer:Forskning afslører uventet indflydelse på forbindelsens krystalgitter