Pokonywanie barier stężenia magnetycznego
Dotychczasowe próby łączenia magnetyzmu z półprzewodnikami napotykały fundamentalne ograniczenia. Tradycyjne metody polegały na zastępowaniu niewielkiej liczby atomów w półprzewodnikach atomami magnetycznymi. Jak jednak zauważają badacze, powyżej progu około 5% atomy magnetyczne mają tendencję do zbijania się, co uniemożliwia kontrolę właściwości materiałów. Zespół ze Stanów Zjednoczonych zastosował inne podejście. Jego technika polega na naprzemiennym układaniu wyjątkowo cienkich warstw półprzewodników i samoorganizujących się warstw atomów magnetycznych. Taka struktura pozwala każdemu komponentowi zachować swoje właściwości, jednocześnie wykazując nowe zbiorcze zachowania. Dzięki tej metodzie powstało ponad 20 nowych materiałów łączących pierwiastki magnetyczne pokroju manganu i kobaltu z różnymi półprzewodnikami.
Czytaj też: Naukowcy sterują materiałami w niebywały sposób. I to szybciej niż mgnienie oka
Kluczowe zastosowanie tych materiałów dotyczy spintroniki, czyli technologii wykorzystującej spin elektronów zamiast ich ładunku. W przeciwieństwie do tradycyjnej elektroniki, elementy spintroniczne nie generują nadmiaru ciepła, co stanowi główną przeszkodę w miniaturyzacji układów scalonych. Ta cecha może być przełomowa dla rozwoju technologii. Współczesne procesory i karty graficzne wytwarzają ogromne ilości ciepła, wymagając skomplikowanych układów chłodzenia. Spintronika mogłaby pozwolić na tworzenie wydajniejszych, mniejszych i bardziej energooszczędnych urządzeń. Szczególnie obiecujące wydają się zastosowania w systemach sztucznej inteligencji. Jak wskazują naukowcy, obecne systemy oparte na sztucznej inteligencji pochłaniają ogromne ilości energii i wody. Przyszłe rozwiązania oparte na spintronice mogłyby oferować większą moc obliczeniową przy mniejszym śladzie węglowym i zużyciu zasobów.
Komputery kwantowe w bardziej praktycznych warunkach
Nowa metoda pozwala również na wprowadzanie pierwiastków magnetycznych do nadprzewodników, czyli materiałów przewodzących prąd bez oporu. W innych eksperymentach dodano atomy magnetyczne do izolatorów topologicznych, które izolują prąd wewnątrz, ale umożliwiają swobodny przepływ elektronów na powierzchni. Testy z użyciem obrazowania atomowego i pomiarów magnetyzacji wykazały, że nowe materiały zachowały swoje unikalne właściwości, jednocześnie rozwijając nowe cechy magnetyczne. To może zrewolucjonizować technologię komputerów kwantowych. Obecne systemy wymagają ekstremalnie niskich temperatur, co znacząco ogranicza ich praktyczne zastosowania. Materiały łączące właściwości półprzewodnikowe lub nadprzewodnikowe z magnetyzmem mogłyby umożliwić działanie komputerów kwantowych w wyższych temperaturach. Takie urządzenia potencjalnie wykonywałyby obliczenia niemożliwe dla tradycyjnych komputerów, symulowały złożone zjawiska naturalne i zapewniały zaawansowane zabezpieczenia cybernetyczne.
Czytaj też: Nowy stan materii kwantowej wstrząsnął światem. Wykazuje zaskakującą odporność na promieniowanie
Praca zespołu z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles wykracza poza konkretne zastosowania technologiczne. Jak podkreślają autorzy, podstawowe badania nad nowymi materiałami łączącymi półprzewodniki i magnetyzm mogą pogłębić zrozumienie fundamentalnych sił i interakcji leżących u podstaw zarówno zaawansowanych technologii, jak i samej natury. Nowe materiały magnetyczne stanowią obiecującą platformę dla przyszłych urządzeń spintronicznych, potencjalnie wydajniejszych od współczesnej elektroniki. W ogólnym rozrachunku mówimy natomiast na potwierdzeniu, że wciąż możliwe są fundamentalne postępy w materiałoznawstwie. Jako że problemy z energochłonnością i odprowadzaniem ciepła w elektronice wciąż są obecne, to wszelkie zmiany w tym zakresie powinny być szczególnie cenne.