Onze smartphones en computers zouden lang niet zo nuttig zijn zonder alle apps, muziek, en video's die we erop houden.

Momenteel, onze apparaten slaan die informatie voornamelijk op twee verschillende manieren op:ofwel via elektrische velden (denk aan een flashstation) of via magnetische velden (denk aan de harde schijf van een computer).

Elk heeft zijn voor- en nadelen. Echter, in de toekomst, onze elektronica kan profiteren van het beste van elk.

"Er is een interessant concept, " zegt Chang-Beom Eom, de Theodore H. Geballe Professor en Harvey D. Spangler Distinguished Professor van materiaalwetenschap en techniek aan de Universiteit van Wisconsin-Madison. "Kun je deze twee verschillende manieren om informatie op te slaan aan elkaar koppelen? Kunnen we een elektrisch veld gebruiken om de magnetische eigenschappen te veranderen? Dan kun je een laag vermogen hebben, multifunctioneel apparaat. We noemen dit een 'magneto-elektrisch' apparaat."

In onderzoek gepubliceerd op 17 november, 2017, in het journaal Natuurcommunicatie , Eom en zijn medewerkers beschrijven niet alleen hun unieke proces voor het maken van een hoogwaardig magneto-elektrisch materiaal, maar precies hoe en waarom het werkt. Wittawat Saenrang is de hoofdauteur van het artikel.

Magneto-elektrische materialen - die zowel magnetische als elektrische functies hebben, of "bestellingen" - bestaan ​​al. Het wisselen van de ene functionaliteit leidt tot een verandering in de andere. "Het heet kruiskoppeling, "zegt Eom. "Toch, hoe ze cross-koppel is niet duidelijk begrepen."

Om dat inzicht te krijgen, hij zegt, vereist bestuderen hoe de magnetische eigenschappen veranderen wanneer een elektrisch veld wordt toegepast. Tot nu toe, dit was moeilijk vanwege de gecompliceerde structuur van de meeste magneto-elektrische materialen.

Vroeger, zegt Eom, mensen bestudeerden magneto-elektrische eigenschappen met behulp van zeer "complexe" materialen, of degenen die uniformiteit missen.

In zijn benadering Eom heeft niet alleen het onderzoek sterk vereenvoudigd, maar het materiaal zelf.

Puttend uit zijn expertise in materiële groei, hij ontwikkelde een uniek proces, met behulp van atomaire "stappen, om de groei van een homogeen, eenkristal dunne film van bismutferriet. Daar bovenop, hij voegde kobalt toe, die magnetisch is; op de bodem, hij plaatste een strontiumruthenaatelektrode.

Dat homogene, monokristallijn materiaal was belangrijk omdat het het voor Eom veel gemakkelijker maakte om de fundamentele magneto-elektrische kruiskoppeling te bestuderen. "We vonden dat in ons werk, vanwege ons enige domein, we konden echt zien wat er aan de hand was met behulp van meervoudige sonderingen, of beeldvorming, technieken, " zegt hij. "Het mechanisme is intrinsiek. Het is reproduceerbaar - en dat betekent dat u een apparaat kunt maken zonder enige degradatie, op een voorspelbare manier."

Om de veranderende elektrische en magnetische eigenschappen in realtime in beeld te brengen, Eom en zijn collega's gebruikten de krachtige synchrotron-lichtbronnen in het Argonne National Laboratory en in Zwitserland en het Verenigd Koninkrijk. "Als je wisselt, het elektrische veld schakelt de elektrische polarisatie. Als het 'naar beneden' is, ' het schakelt 'naar boven', '" zegt hij. "De koppeling met de magnetische laag verandert dan zijn eigenschappen:een magneto-elektrisch opslagapparaat."

Die verandering van richting stelt onderzoekers in staat de volgende stappen te nemen die nodig zijn om programmeerbare geïntegreerde schakelingen - de bouwstenen die de basis vormen van onze elektronica - aan het materiaal toe te voegen.

Hoewel het homogene materiaal Eom in staat stelde om belangrijke wetenschappelijke vragen te beantwoorden over hoe magneto-elektrische kruiskoppeling plaatsvindt, het zou fabrikanten ook in staat kunnen stellen hun elektronica te verbeteren. "Nu kunnen we een veel effectievere, efficiënt en energiezuinig apparaat, " hij zegt.