Als je een beetje in het geheugen van een computer schakelt en daarna weer terugschakelt, heb je de oorspronkelijke staat hersteld. Er zijn slechts twee toestanden die "0 en 1" kunnen worden genoemd.

Er is nu echter een verbazingwekkend effect ontdekt aan de TU Wien (Wenen):in een kristal op basis van oxiden van gadolinium en mangaan werd een atoomschakelaar gevonden die niet één keer, maar twee keer heen en weer moet worden geschakeld, totdat de originele staat weer bereikt. Tijdens dit dubbele in- en uitschakelproces maakt de spin van gadoliniumatomen één volledige omwenteling. Dit doet denken aan een krukas, waarbij een op en neergaande beweging wordt omgezet in een cirkelvormige beweging.

Dit nieuwe fenomeen opent interessante mogelijkheden in de materiaalfysica. Met dergelijke systemen kan zelfs informatie worden opgeslagen. De vreemde atoomschakelaar is nu gepresenteerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature .

Koppeling van elektrische en magnetische eigenschappen

Normaal gesproken wordt er onderscheid gemaakt tussen de elektrische en magnetische eigenschappen van materialen. Elektrische eigenschappen zijn gebaseerd op het feit dat ladingsdragers bewegen, bijvoorbeeld elektronen die door een metaal reizen of ionen waarvan de positie is verschoven.

Magnetische eigenschappen zijn daarentegen nauw verwant aan de spin van atomen - het intrinsieke impulsmoment van het deeltje, dat in een zeer specifieke richting kan wijzen, net zoals de rotatie-as van de aarde in een zeer specifieke richting wijst.

Er zijn echter ook materialen waarin elektrische en magnetische verschijnselen zeer nauw met elkaar verbonden zijn. Prof. Andrei Pimenov en zijn team van het Institute of Solid State Physics aan de TU Wien doen onderzoek naar dergelijke materialen. "We hebben een speciaal materiaal gemaakt van gadolinium, mangaan en zuurstof blootgesteld aan een magnetisch veld en hebben gemeten hoe de elektrische polarisatie tijdens het proces veranderde", zegt Andrei Pimenov. "We wilden analyseren hoe de elektrische eigenschappen van het materiaal kunnen worden veranderd door magnetisme. En verrassend genoeg kwamen we een volledig onvoorzien gedrag tegen."

Terug naar het begin in vier stappen

In het begin is het materiaal elektrisch gepolariseerd - aan de ene kant is het positief geladen, aan de andere kant negatief. Dan zet je een sterk magnetisch veld aan - en de polarisatie verandert heel weinig. Als je het magneetveld vervolgens weer uitschakelt, wordt echter een dramatische verandering zichtbaar:plotseling keert de polarisatie om:de zijde die voorheen positief geladen was, is nu negatief geladen en vice versa.

Nu kun je hetzelfde proces een tweede keer doorlopen:je schakelt opnieuw het magnetische veld in en de elektrische polarisatie blijft ongeveer constant. Als je het magnetische veld uitschakelt, keert de polarisatie weer om en keert dus terug naar de oorspronkelijke staat.

"Dit is buitengewoon opmerkelijk", zegt Andrei Pimenov. "We voeren vier verschillende stappen uit, elke keer dat het materiaal zijn interne eigenschappen verandert, maar slechts twee keer verandert de polarisatie, dus je bereikt de begintoestand pas na de vierde stap."

Viertaktmotor voor gadolinium

Bij nadere beschouwing blijkt dat de gadoliniumatomen verantwoordelijk zijn voor dit gedrag:ze veranderen hun draairichting bij elk van de vier stappen, telkens met 90 graden. "In zekere zin is het een viertaktmotor voor atomen", zegt Andrei Pimenov. "Ook in een viertaktmotor zijn er vier stappen nodig om terug te keren naar de begintoestand - en de cilinder beweegt daarbij twee keer op en neer. In ons geval beweegt het magnetische veld twee keer op en neer vóór de begintoestand wordt hersteld en de spin van de gadoliniumatomen wijst weer in de oorspronkelijke richting."

Theoretisch zouden dergelijke materialen kunnen worden gebruikt om informatie op te slaan:een systeem met vier mogelijke toestanden zou een opslagcapaciteit hebben van twee bits per schakelaar, in plaats van de gebruikelijke één bit informatie voor "0" of "1". Maar het effect is ook bijzonder interessant voor sensortechnologie:zo zou je bijvoorbeeld een teller voor magnetische pulsen kunnen maken. Het effect levert belangrijke nieuwe input voor theoretisch onderzoek:het is een ander voorbeeld van een zogenaamd "topologisch effect", een klasse van materiële effecten die al jaren veel aandacht trekken in de vastestoffysica en de ontwikkeling van nieuwe materialen. + Verder verkennen

Natuurkundigen ontdekken nieuw magneto-elektrisch effect