Multiferroics worden beschouwd als wonderbaarlijke materialen voor toekomstige gegevensopslag - zolang hun speciale eigenschappen behouden kunnen blijven bij bedrijfstemperaturen van computers. Deze taak is nu vervuld door onderzoekers van het Paul Scherrer Instituut PSI, met collega's van Institut Laue-Langevin ILL in Grenoble. Hiermee, ze hebben deze materialen een stap dichter bij praktische toepassingen gebracht. Het gebruik van multiferroics is veelbelovend voor energiezuinigere computers omdat een elektrisch veld voldoende zou zijn voor magnetische gegevensopslag. Om dit te produceren, er is veel minder stroom en koeling nodig dan bij conventionele magnetische opslag. Multiferroics combineren magnetische en elektrische eigenschappen om een ​​uiterst zeldzaam materiaal te vormen. De meeste van dergelijke materialen vertonen deze twee eigenschappen alleen bij temperaturen ver onder het vriespunt. Om de magnetische eigenschappen zelfs bij honderd graden stabiel te houden, de onderzoekers hebben een truc gebruikt. Ze gebruikten atomen die kleiner waren dan die in eerdere onderzoeken, waardoor het materiaal compacter wordt. Dit was voldoende om de structuur bestand te maken tegen hitte en zijn cruciale magnetische eigenschappen te behouden. De onderzoekers publiceerden hun resultaten vandaag in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

Computers draaien vaak continu, veel kilowattuur elektriciteit per jaar verbruiken. De meeste worden gebruikt voor gegevensopslag. De gegevens worden als magnetische bits in een 0- of 1-status op harde schijven geschreven, een proces dat een continue omkering van polariteit vereist van plus naar min en vice versa. Deze magnetische poolomkering verbruikt veel energie, en leidt tot ernstige warmteafgifte. Daarom moeten computers tijdens het gebruik intensief worden gekoeld. Hiervoor is veel stroom nodig, hoge kosten en is niet milieuvriendelijk. Wetenschappers zijn lange tijd op zoek geweest naar een materiaal dat dit nadeel van conventionele magnetische gegevensopslag opheft.

Voor een paar jaar, de zogenaamde magneto-elektrische multiferroics hebben de aandacht getrokken van onderzoekers als een mogelijk alternatief. Met deze materialen de noodzakelijke magnetische functionaliteit wordt bereikt door een elektrisch in plaats van een magnetisch veld aan te leggen, omdat deze twee fysische eigenschappen in het materiaal aan elkaar gekoppeld zijn. Deze toestand treedt meestal op bij zeer lage temperaturen, doorgaans onder min 173 graden Celsius, en gaat weer verloren bij dagelijkse temperaturen.

Twee jaar geleden, een werkgroep van PSI is erin geslaagd de temperatuurgrens te verschuiven naar 37 graden Celsius. Dit was een grote stap voorwaarts, maar het was nog steeds niet genoeg om na te denken over het gebruik ervan in laptops en andere sterk verhitte gegevensopslagsystemen. Nutsvoorzieningen, PSI-onderzoekers Marisa Medarde en Tian Shang zijn erin geslaagd een magneto-elektrische, multiferroïsch materiaal dat zelfs bij 100 graden Celsius de vereiste magnetische eigenschappen behoudt. "Deze temperatuur is meer dan 60 graden Celsius hoger dan in het verleden, zegt Medarde opgetogen. "Hoewel er nog veel verder onderzoek nodig is, we zijn nu een beetje dichter bij een mogelijk gebruik van deze materialen in computers."

Twee in een

De relatief nieuwe klasse van magneto-elektrische multiferroics omvat verschillende mengsels van chemische elementen. Deze hebben één ding gemeen:ze bevatten tegelijkertijd kleine magneten en een combinatie van positieve en negatieve elektrische ladingen, de zogenaamde elektrische dipolen. Elektrische dipolen kunnen meestal worden beïnvloed door het aanleggen van een elektrisch veld en kleine magneten door het aanleggen van een magnetisch veld. Voor een multiferroïsch materiaal, voor beide is een elektrisch veld voldoende. In praktijk, elektrische velden zijn veel gemakkelijker en goedkoper te produceren. Ze verbruiken veel minder stroom. Dit is wat magneto-elektrische multiferroics zo interessant maakt vanuit economisch perspectief. Maar hoe bereik je het onmogelijke?

In zijn laboratorium bij PSI, de natuurkundige Shang toont verschillende grijze, wit en geel kristalpoeder, die hij opwarmt in een laboratoriumoven om de multiferroïsche materialen voor zijn experimenten voor te bereiden:"Hier, wij gebruiken barium, koper, ijzer en zeldzame aarden, en we verwarmen ze tot meer dan 1, Twee dagen 100 graden Celsius. Daarna koelen we de poeders langzaam af tot kamertemperatuur, pers ze tot korrels, en verwarm ze vervolgens opnieuw gedurende 50 uur. Ze worden dan abrupt geblust in vloeibare stikstof." Het dofgrijze materiaal in de korrel dat het resultaat is van deze procedure is een zogenaamd gelaagd koper-ijzer perovskiet, een kristal. Het is klein genoeg om op een vingertop te passen en lijkt op het eerste gezicht niet erg spectaculair.

Gefrustreerde magneten

De bijzondere eigenschappen van het materiaal zijn te vinden op het niet-zichtbare niveau van de atomen, meer precies:in zijn kristalroosterstructuur. Dit kan worden afgebeeld als bestaande uit verschillende gestapelde roosterkooien met barium- en yttrium-atomen op hun hoeken. In de kooien, kleine magneten gemaakt van koper en ijzer bevinden zich. Elektromagnetische krachten werken tussen de afzonderlijke magneten, het bepalen van hun relatieve oriëntatie. Normaal gesproken, twee magneten zijn evenwijdig of tegenover elkaar uitgelijnd. Maar het kan ook gebeuren dat de magnetische krachten vanuit heel verschillende richtingen werken. Dan oscilleren de magneten als kleine kompasnaalden. De technische term voor een dergelijk materiaal is een gefrustreerde magneet. Om deze onstabiele toestand te vermijden met behoud van het magnetisme, de koper-ijzermagneten vormen een spiraal. vergroot, dit ziet eruit als vele over elkaar heen geplaatste kompasnaalden, elke volgende gedraaid door een kleine hoek. "Deze spiraalvormige opstelling kan elektrische polarisatie veroorzaken en dus verantwoordelijk zijn voor de ferro-elektrische eigenschappen in het materiaal, ", legt Medarde uit.

Dus, wanneer de magneten spiraalvormig zijn gerangschikt, ze induceren elektrische dipolen in het rooster en het materiaal krijgt beide gekoppelde eigenschappen - elektrisch en magnetisch. Bij normale temperaturen, de kompasnaalden verliezen hun spiraalvormige opstelling, waardoor ook de gekoppelde multiferroïsche eigenschappen verdwijnen. Dat de magnetische spiralen in het materiaal kunnen worden "bevroren" door zeer snelle afkoeling was al in een eerder werk aangetoond door Medarde en haar groep. In hun laatste onderzoek Medarde en Shang hebben nu het multiferroïsche kristalrooster verfijnd. Met microscopisch kleine aanpassingen, ze zijn erin geslaagd de temperatuurstabiliteit te verhogen tot 100 graden Celsius.

Nabijheid schept kracht

Naast het extreem snel afkoelen van het materiaal, Shang gebruikte een truc die scheikundigen al heel lang kennen:hij verkleinde eenvoudig de afstanden tussen enkele atomen in het kristalrooster, ze dichter bij elkaar brengen. Als gevolg van de nieuwe, compacter ontwerp, de elektromagnetische krachten in het kristal veranderden zodanig dat de spiraalstructuur van de koper-ijzermagneten ook bij hogere temperaturen stabiel bleef.

Shang bereikte dit door enkele bariumatomen in het kristalrooster te vervangen door de kleinere atomen van het element strontium. Hij voegde het strontium toe tijdens de productie van het materiaal in de reactieoven om het materiaal uiteindelijk weer af te koelen op de gevestigde manier.

Volgende, de natuurkundige wilde weten of de combinatie van beide methoden echt het gewenste effect had gehad. Shang bestudeerde het grijszwarte materiaal met behulp van verschillende meetmethoden, inclusief onderzoeken bij de Zwitserse Spallation Neutron Source SINQ, een grootschalige onderzoeksfaciliteit bij PSI. Met behulp van speciale instrumenten, hij slaagde erin de vingerafdruk van de magnetische spiralen te identificeren. Van bijzonder belang voor de onderzoeker was een instrument met de ingewikkelde naam van een neutronendiffractometer. Met dit apparaat, die Shang gebruikte bij zowel SINQ als het Institut Laue-Langevin ILL in Grenoble, hij ontdekte waar de atomen zich in het kristalrooster bevinden en hoe ver ze van elkaar verwijderd zijn.

"Het effect van snelle materiaalkoeling plus dat van het verkleinen van de afstand tussen de atomen vat samen. Het stabiliteitsbereik van de magnetische spiraal is nu veel groter dan voorheen, " zei Shang. Hij heeft daarmee het temperatuurbereik bereikt dat nodig is voor gebruik in computers. volgens de natuurkundigen het duurt even voordat het materiaal in de toekomst ook daadwerkelijk wordt gebruikt voor het opslaan van gegevens. Voor deze, het zal ook moeten presteren in dunne-filmlagen, waar veel minder materiaal wordt gebruikt. Medarde en Shang zijn hier al mee bezig. En ze proberen het perovskietkristal nog verder samen te persen door atomen op te nemen die nog kleiner zijn dan strontium. Als beide strategieën succesvol zijn, er is een goede kans dat het multiferroïsche materiaal ooit de basis zal zijn voor een revolutie in de technologie voor gegevensopslag.