Een nieuw materiaal zou de basis kunnen worden voor toekomstige apparaten voor gegevensopslag, omdat het de energiebehoefte aanzienlijk kan verminderen in vergelijking met de huidige harde schijven. Dit is een materiaal uit de klasse van de zogenaamde magneto-elektrische multiferroics, waarvan het onderscheidende kenmerk is dat hun magnetische en elektrische eigenschappen aan elkaar zijn gekoppeld. Dankzij deze koppeling het moet mogelijk zijn om magnetische bits te schrijven door middel van energiezuinigere elektrische velden. Lange tijd werd verwacht dat deze klasse van materialen in de toekomst als basis zou kunnen dienen voor computergeheugens. Het voordeel van het nieuw ontwikkelde multiferroïsche materiaal:het vertoont zelfs bij kamertemperatuur de nodige magnetische eigenschappen, en niet alleen - zoals met de meeste magneto-elektrische multiferroics tot nu toe - bij afkoeling tot zeer lage temperaturen, meestal min 200 graden Celsius. De PSI-onderzoekers rapporteren hun nieuwe resultaten in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Onderzoekers van het PSI hebben een nieuw materiaal gecreëerd dat een enorm potentieel heeft voor toekomstige gegevensopslagmedia. Dit is een zogenaamd magneto-elektrisch multiferroïsch materiaal met een cruciale verbetering:het behoudt de noodzakelijke magnetische eigenschappen tot kamertemperatuur en is dus geschikt voor alledaagse doeleinden.

Magneto-elektrische multiferroïsche materialen zijn uiterst zeldzaam. In hen, de magnetische en elektrische eigenschappen zijn aan elkaar gekoppeld. Als resultaat, de magnetische eigenschappen kunnen worden gecontroleerd door het aanleggen van een elektrisch veld. Elektrische velden kunnen gemakkelijker en efficiënter worden opgewekt dan magnetische velden. Wanneer een elektrisch veld wordt toegepast op magneto-elektrische multiferroics, het heeft een effect op de elektrische eigenschappen van het materiaal. Door de magneto-elektrische koppeling, je krijgt dan gratis een verandering in de magnetische eigenschappen, zegt Marisa Medarde, hoofdauteur van de nieuwe studie, beschrijving van deze speciale klasse van materialen.

Gegevens opslaan en energie besparen

De huidige harde schijven van computers slaan gegevens op in de vorm van magnetische bits die worden geschreven door het aanleggen van een magnetisch veld. In tegenstelling tot, opslagmedia op basis van multiferroics zouden verschillende voordelen hebben:magnetische opslag kan worden bereikt door de toepassing van een elektrisch veld, die aanzienlijk minder energie zouden vergen; apparaten zouden minder restwarmte produceren en zouden dus ook minder behoefte hebben aan koeling, waardoor het gebruik van ventilatoren en airconditioning kan worden verminderd. Aangezien cloudcomputing jaarlijks vele biljoenen kilowattuur aan stroom verbruikt, besparingen op dit gebied zijn van groot belang.

In bijna alle materialen magnetisme, zoals bijvoorbeeld gevonden in ijzer, en ferro-elektriciteit - een bepaalde elektrische eigenschap van materialen - sluiten elkaar uit. Hier vormen multiferroïsche materialen een uitzondering:ze zijn zowel magnetisch als ferro-elektrisch; in aanvulling op, deze twee eigenschappen zijn aan elkaar gekoppeld. Materialen die wetenschappers tot nu toe hebben kunnen maken, echter, bijna uitsluitend multiferroïsch gedrag vertonen bij zeer lage temperaturen, zoals min 200 graden Celsius. Het nieuwe materiaal van de PSI-onderzoekers is wat dat betreft een innovatie.

Synthese, vastgoed optimalisatie, en analyses bij de PSI

De onderzoekers kwamen tot hun nieuwe materiaal door zowel de chemische samenstelling als het exacte productieproces op maat te maken. Ze vonden uiteindelijk dat het materiaal met de chemische formule YBaCuFeO5 geschikt is, en dat het de beste resultaten oplevert wanneer het eerst wordt verwarmd tot een hoge temperatuur en vervolgens wordt onderworpen aan een extreem snelle koeling. Bij hoge temperaturen, de atomen rangschikken zich zodanig dat ze nuttig zijn voor onze doeleinden, legt Medard uit. De snelle afkoeling bevriest deze opstelling in wezen op zijn plaats. De onderliggende methode van snel afkoelen – ook wel afschrikken genoemd – is bekend uit de fabricage van met name harde metalen en wordt al eeuwenlang gebruikt, bijvoorbeeld, in gehard stalen zwaarden. De PSI-onderzoekers, echter, pasten veel extremere temperaturen toe:ze verhitten hun materiaal eerst tot 1000 graden Celsius en koelden het vervolgens abrupt en snel af tot min 200 graden Celsius. Nadat het materiaal uit dit koelbad is gehaald, het behoudt zijn speciale magnetische eigenschappen tot en met iets boven kamertemperatuur.

De synthese- en eigenschapsoptimalisatieprocedure zijn ontwikkeld bij de PSI, waar de materialen ook zijn geproduceerd en vervolgens geanalyseerd in twee grootschalige onderzoeksfaciliteiten, de Swiss Spallation Neutron Source SINQ en de Swiss Light Source SLS. Ons nieuwe materiaal bevat geen dure ingrediënten, Medarde meldt het graag. En de productiemethode - nu we de details hebben uitgewerkt - is gemakkelijk in de praktijk te brengen.

Het nieuwe materiaal dankt zijn eigenschappen aan het bestaan ​​van zogenaamde magnetische spiralen op atomair niveau. Deze kleine spiralen zijn verantwoordelijk voor de koppeling van magnetisme en ferro-elektriciteit. Bij de meeste materialen magnetische spiralen verdwijnen als het materiaal warmer wordt dan rond de min 200 graden Celsius. De PSI-onderzoekers zien hun belangrijkste prestatie in het creëren van een materiaal waarin magnetische spiralen stabiel zijn bij kamertemperatuur. Zelfs bij 30 graden Celsius, onze magnetische spiralen waren nog steeds aanwezig, zegt Medarde.

Een familielid van de hoge-temperatuur supergeleiders

Het materiaal YBaCuFeO5 is namelijk niet helemaal nieuw. De verbinding werd in 1988 voor het eerst gesynthetiseerd. Nu, echter, Het speciale fabricageproces van de PSI-onderzoekers rangschikt de ijzer- en koperatomen precies zo dat het materiaal volledig nieuwe eigenschappen krijgt. YBaCuFeO ₅ is nauw verwant aan yttrium barium koperoxide, chemische notatie YBa ₂ Cu ₃ O _6+x , een groep supergeleiders die in 1987 werd ontdekt en die supergeleidend blijft tot relatief hoge temperaturen:sommige verliezen hun supergeleidende eigenschappen bij temperaturen rond min 180 graden Celsius, dat wil zeggen, ongeveer 200 graden lager dan de spiraalvormige besteltemperatuur van het nieuwe materiaal dat bij PSI is ontwikkeld.