Relativitet ryster en magnet

Forskergruppen af ​​professor Jairo Sinova ved Institut for Fysik ved Johannes Gutenberg University Mainz (JGU), i samarbejde med forskere fra Prag, Cambridge, og Nottingham, har forudsagt og opdaget et nyt fysisk fænomen, der gør det muligt at manipulere en magnets tilstand ved hjælp af elektriske signaler. Nuværende teknologier til skrivning, opbevaring, og læseinformation er enten afgiftsbaseret eller spin-baseret. Halvlederflash- eller random access-hukommelser er gode eksempler blandt det store udvalg af opladningsbaserede enheder.

De udnytter den mulighed, som halvledere tilbyder til let elektrisk at manipulere og detektere deres elektroniske ladningstilstande, der repræsenterer "nullerne" og "enerne". Ulempen er, at svage forstyrrelser såsom urenheder, temperaturændring, eller stråling kan føre til ukontrollerede ladningsomfordelinger og, som en konsekvens, til tab af data. Spin-baserede enheder fungerer efter et helt distinkt princip. I nogle materialer, som jern, elektronspin genererer magnetisme, og positionen af ​​magnetens nord- og sydpol kan bruges til at gemme nuller og ettaller. Denne teknologi står bag hukommelsesapplikationer lige fra kilobyte magnetstribekort til terabyte computerharddiske.

Da de er baseret på spin, enhederne er meget mere robuste over for ladningsforstyrrelser. Imidlertid, Ulempen ved nuværende magnetiske hukommelser er, at for at vende magnetens nord- og sydpoler, dvs. vend nul til én eller omvendt, den magnetiske bit skal kobles til en elektromagnet eller til en anden permanent magnet. Hvis man i stedet kunne vende polerne ved et elektrisk signal uden at involvere en anden magnet, der kan forestilles en ny generation af hukommelser, der kombinerer fordelene ved både opladnings- og spin-baserede enheder.

For at ryste en magnet elektrisk uden at involvere en elektromagnet eller en anden permanent magnet, skal man træde ud af den klassiske fysiks område og gå ind i den relativistiske kvantemekanik. Einsteins relativitetsteori tillader elektroner, der er underlagt elektrisk strøm, at ordne deres spins, så de bliver magnetiske. Forskerne tog en permanent magnet GaMnAs og ved at anvende en elektrisk strøm inde i den permanente magnet skabte de en ny intern magnetisk sky, som var i stand til at manipulere den omgivende permanentmagnet. Værket er blevet publiceret i tidsskriftet Natur nanoteknologi den 2. marts 2014.

Det observerede fænomen er tæt forbundet med den relativistiske iboende spin Hall-effekt, som Jörg Wunderlich, Jairo Sinova, og Tomas Jungwirth opdagede i 2004 efter en forudsigelse fra Sinova og kolleger i 2003. Siden da er det blevet en lærebogsdemonstration af, hvordan elektriske strømme kan magnetisere ethvert materiale. "For ti år siden forudsagde og opdagede vi, hvordan elektriske strømme kan generere rene spin-strømme gennem materialernes iboende struktur. Nu har vi vist, hvordan denne effekt kan vendes for at manipulere magneter ved den strøminducerede polarisering. Disse nye fænomener er et stort emne for forskning i dag, da de kan føre til en ny generation af hukommelsesenheder. Udover vores igangværende samarbejder, denne forskningsretning passer meget godt sammen med igangværende eksperimentel forskning her i Mainz. At være en del af denne verdensførende forskning og arbejde med fremragende kolleger er et enormt privilegium, og jeg er meget spændt på fremtiden", siger professor Jairo Sinova.