Magnetisme, een van de oudste technologieën die de mens kent, loopt voorop bij new-age materialen die de volgende generatie verliesvrije elektronica en kwantumcomputers mogelijk maken. Onderzoekers onder leiding van Penn State en de Universiteit van Californië, San Diego, hebben een nieuwe "knop" ontdekt om het magnetische gedrag van een veelbelovend kwantummateriaal te regelen, en de bevindingen kunnen de weg vrijmaken voor nieuwe, efficiënte en ultrasnelle apparaten.

"De unieke kwantummechanische samenstelling van dit materiaal - mangaan-bismuttelluride - zorgt ervoor dat het verliesvrije elektrische stromen kan geleiden, iets van enorm technologisch belang", zegt Hari Padmanabhan, die het onderzoek leidde als een afgestudeerde student aan Penn State. "Wat dit materiaal bijzonder intrigerend maakt, is dat dit gedrag nauw verbonden is met zijn magnetische eigenschappen. Dus een knop om het magnetisme in dit materiaal te regelen, zou deze verliesvrije stromen ook efficiënt kunnen regelen."

Mangaanbismuttelluride, een 2D-materiaal gemaakt van atomair dunne gestapelde lagen, is een voorbeeld van een topologische isolator, exotische materialen die tegelijkertijd isolatoren en geleiders van elektriciteit kunnen zijn, aldus de wetenschappers. Belangrijk is dat, omdat dit materiaal ook magnetisch is, de stromen die langs de randen worden geleid, verliesloos kunnen zijn, wat betekent dat ze geen energie verliezen in de vorm van warmte. Het vinden van een manier om de zwakke magnetische bindingen tussen de lagen van het materiaal af te stemmen, zou deze functies kunnen ontsluiten.

Kleine trillingen van atomen, of fononen, in het materiaal kunnen een manier zijn om dit te bereiken, meldden de wetenschappers op 8 april in het tijdschrift Nature Communications .

"Fonons zijn kleine atomaire kronkels - atomen die samen dansen in verschillende patronen, aanwezig in alle materialen," zei Padmanabhan. "We laten zien dat deze atomaire kronkels mogelijk kunnen functioneren als een knop om de magnetische binding tussen de atomaire lagen in mangaanbismuttelluride af te stemmen."

De wetenschappers van Penn State bestudeerden het materiaal met behulp van een techniek die magneto-optische spectroscopie wordt genoemd:ze schieten een laser op een monster van het materiaal en meten de kleur en intensiteit van het gereflecteerde licht, dat informatie bevat over de atomaire trillingen. Het team observeerde hoe de trillingen veranderden toen ze de temperatuur en het magnetische veld veranderden.

Terwijl ze het magnetische veld veranderden, observeerden de wetenschappers veranderingen in de intensiteit van de fononen. Dit effect is te wijten aan de fononen die de zwakke magnetische binding tussen de lagen beïnvloeden, aldus de wetenschappers.

"Door temperatuur en magnetisch veld te gebruiken om de magnetische structuur van het materiaal te variëren - net zoals het gebruik van een koelkastmagneet om een ​​naaldkompas te magnetiseren - ontdekten we dat de fonon-intensiteiten sterk gecorreleerd waren met de magnetische structuur", zegt Maxwell Poore, afgestudeerde student aan UC San Diego, en co-auteur van de studie. "Door deze bevindingen te combineren met theoretische berekeningen, concludeerden we dat deze atomaire trillingen de magnetische binding over lagen van dit materiaal wijzigen."

Wetenschappers van UC San Diego voerden experimenten uit om deze atomaire trillingen in realtime te volgen. De fononen oscilleren sneller dan een biljoen keer per seconde, vele malen sneller dan moderne computerchips, aldus de wetenschappers. Een computerprocessor van 3,5 gigahertz werkt bijvoorbeeld met een frequentie van 3,5 miljard keer per seconde.

"Het mooie van dit resultaat was dat we het materiaal bestudeerden met behulp van verschillende complementaire experimentele methoden bij verschillende instellingen en ze kwamen allemaal opmerkelijk samen in hetzelfde beeld", zegt Peter Kim, afgestudeerde student aan UC San Diego, en co-auteur van het artikel .

Verder onderzoek is nodig om de magnetische knop direct te gebruiken, aldus de wetenschappers. Maar als dat kan worden bereikt, kan dit leiden tot ultrasnelle apparaten die verliesvrije stromen efficiënt en omkeerbaar kunnen regelen.

"Een grote uitdaging bij het maken van snellere, krachtigere elektronische processors is dat ze opwarmen", zegt Venkatraman Gopalan, hoogleraar materiaalwetenschappen en techniek en natuurkunde aan Penn State, Padmanabhan's voormalige adviseur en co-auteur van het artikel. "Verwarming verspilt energie. Als we efficiënte manieren zouden kunnen vinden om materialen te controleren die verliesvrije stromen bevatten, zou dat ons mogelijk in staat stellen om ze in toekomstige energiezuinige elektronische apparaten in te zetten." + Verder verkennen

Sterke magneten geven een nieuwe draai aan fononen:onderzoek onthult onverwachte invloed op het kristalrooster van verbindingen