Het perfect omkeren van complexe structuren is van groot technisch belang. Onderzoekers van ETH zijn er nu in geslaagd om de magnetische en elektrische structuur van materialen in hun tegendeel om te zetten met behulp van een enkele magnetische veldpuls.

In onaangenaam luide omgevingen, actieve ruisonderdrukking is de afgelopen jaren gebruikt in oortelefoons en luxe auto's. Een microfoon pikt het storende geluid op, waaruit een computerchip de juiste tegenmaatregelen berekent:geluidsgolven waarvan de fasen precies tegengesteld zijn aan die van het omgevingsgeluid. Door de interferentie tussen die golven wordt de ruis effectief gewist. Natuurkundigen en ingenieurs proberen dit principe van perfecte inversie toe te passen op andere technologieën, bijvoorbeeld aan de magnetische structuur van materialen. ETH-professor Manfred Fiebig en zijn medewerkers van de afdeling Materialen in Zürich zijn er nu in geslaagd precies dat te doen, met steun van wetenschappers in Europa, Japan en Rusland. Hun resultaten worden deze week gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuur .

Het team van Fiebig gebruikte zogenaamde multiferroics voor hun experimenten. In tegenstelling tot veel andere materialen die een magnetische of elektrische orde hebben, multiferroics bezitten beide:ze zijn magnetisch en, tegelijkertijd, elektrisch gepolariseerd en, als gevolg, zich zowel langs magnetische als langs elektrische velden uitlijnen. De fysieke mechanismen die de magnetische en elektrische orde in het materiaal tot stand brengen, zijn subtiel aan elkaar gekoppeld. Dit maakt het mogelijk om de magnetisatie te beïnvloeden met behulp van elektrische velden in plaats van magnetische velden. “Dat is veel efficiënter, aangezien men elektrische stroom nodig heeft om magnetische velden te creëren, en dat kost veel energie en zorgt voor vervelende restwarmte, " legt Naëmi Leo uit, een voormalig Ph.D. student in Fiebigs laboratorium. Bij computers, bijvoorbeeld, waar gegevens voortdurend op magnetische harde schijven worden geschreven, multiferroics kunnen belangrijke materialen zijn voor aanzienlijke energiebesparingen.

Inspiratie uit Tangram-vormen

Bij ETH, die al geruime tijd een internationale leider is in multiferroics-onderzoek, wetenschappers gingen nog een stap verder met dit idee. "Een materiaal dat het mogelijk maakt om de magnetisatie ervan te beheersen met behulp van elektrische velden, moet noodzakelijkerwijs een nogal complexe structuur hebben, ' zegt Fiebig.

Hij gebruikt de Chinese Tangram-puzzel om dat principe te illustreren:hoe meer stukjes er beschikbaar zijn - driehoeken, vierkanten en parallellogrammen - de meer uitgebreide vormen zijn mogelijk. In het geval van multiferroics, de vormen komen overeen met de symmetrieën van het materiaal, die de fysieke eigenschappen ervan bepalen. Hoe complexer die symmetrieën, des te gevarieerder zijn de zogenaamde bestelparameters. Ze beschrijven de richting waarin de magnetisatie wijst in een multiferroïcum, en hoe de magnetisatie is gekoppeld aan de elektrische orde.

Onverwachte eigenschappen

Als de atomen in een materiaal zo ingewikkeld zijn gerangschikt, het is ook zeer waarschijnlijk dat het andere eigenschappen heeft die op het eerste gezicht niet duidelijk zijn. "Daarom wilden we ons niet beperken tot de bekende fenomenen die al lang bestudeerd zijn, maar probeer liever te zien welke andere nuttige dingen multiferroics kunnen doen, "Fiebig zegt, en illustreert zijn onderzoeksaanpak:"Hoe kunnen we de stukjes van de puzzel opnieuw combineren - dat wil zeggen, de orderparameters—op andere manieren dan de reeds bekende, en zo nieuwe en nuttige eigenschappen te verkrijgen?"

Deze openheid voor het onverwachte heeft zijn vruchten afgeworpen. Fiebig en zijn medewerkers vonden uiteindelijk een multiferroïcum waarin de algehele magnetisatie niet alleen gelijkmatig wordt georiënteerd door een aangelegd veld, zoals gewoonlijk. Duidelijk, dat zou alle magnetisch opgeslagen informatie wissen - de verdeling van positief en negatief gemagnetiseerde gebieden in het materiaal. Liever, ze gebruikten het veld om de magnetisatie in elk afzonderlijk gebied van het materiaal om te keren. Positief gemagnetiseerde gebieden waren, daarom, veranderd in negatief gemagnetiseerde, en vice versa. De magnetische informatie in de rangschikking van de regio's, echter, bleef intact in het proces. "Het is alsof we elke bit op een harde schijf in één keer omkeren, " legt Fiebig uit. "Normaal gesproken men zou elk bit afzonderlijk moeten herschrijven, maar we kunnen het doen met een enkele magnetische veldpuls."

Inversie in één keer

De onderzoekers van ETH vonden dit magnetische equivalent van actieve ruisonderdrukking in een multiferroïcum bestaande uit kobalt, telluur en zuurstof. Door de complexe kristalstructuur niet alleen kan dat materiaal tegelijk magnetisch en elektrisch worden gepolariseerd, maar het kan ook verschillende ordeparameters hebben die zijn magnetisatie beschrijven:een die de magnetische oriëntatie van een enkel gebied bepaalt, en een andere die de vorm en rangschikking van die gebieden in het hele materiaal "onthoudt".

Met behulp van een gespecialiseerde beeldvormingstechniek, waarbij gepolariseerd laserlicht door het kristal wordt gestuurd en daarbij van kleur verandert, de onderzoekers konden het inversieproces direct ruimtelijk zichtbaar maken.

Alsof dat nog niet genoeg was, de natuurkundigen waren ook in staat om een ​​vergelijkbare prestatie te leveren met omgekeerde rollen. In een multiferroïcum dat atomen van mangaan bevat, germanium en zuurstof, het magnetische veld keerde nu niet de magnetisatie om, maar de elektrische polarisatie van het materiaal. Voor de onderzoekers, dat is een verder bewijs dat multiferroics nog steeds voor veel verrassingen zorgen. "Er is waarschijnlijk nog veel meer te ontdekken dat we ons vandaag de dag niet eens kunnen voorstellen, ' zegt Fiebig.