Gdy struktury krystaliczne nie współpracują. Jak frustracja tworzy nowe właściwości?
Termin „frustracja strukturalna” brzmi niemal jak metafora, lecz w tym przypadku oznacza precyzyjną strategię syntezy. Aby ją osiągnąć, naukowcy połączyli dwa związki o bardzo podobnym składzie chemicznym. Jeden zawierał mangan, kobalt i german, drugi – mangan, kobalt i arsen. Choć german i arsen są chemicznie pokrewne, tworzą zupełnie inne struktury krystaliczne.
Czytaj też: Chińska ceramika, której nie da się zniszczyć. Nowy materiał wytrzyma nawet największe skrajności
Pomyśleliśmy, że może ta frustracja strukturalna przełoży się na frustrację magnetyczną. Jeśli struktury konkurują ze sobą, może to spowodować skręcanie spinów. Poszukajmy struktur, które są chemicznie bardzo zbliżone, ale mają różne symetrie – relacjonuje Michael Shatruk z Florida State University
Gdy obie struktury spotykają się, żadna nie zyskuje wyraźnej przewagi. Ta niestabilność na poziomie atomowym bezpośrednio wpływa na spiny, które zamiast ułożyć się w prosty porządek, tworzą zawiłe, wirowe wzory. Te właśnie struktury, nazywane skyrmionami, są źródłem potencjalnych zastosowań.
Skyrmiony obserwowane neutronami
Potwierdzenie istnienia tych subtelnych, magnetycznych wirów wymagało niezwykle zaawansowanego sprzętu. Kluczowe okazały się pomiary przeprowadzone przy użyciu instrumentu TOPAZ w ośrodku Spallation Neutron Source w Oak Ridge. Dyfrakcja neutronów pozwala zajrzeć w głąb kryształu i zobaczyć układ spinów – czegoś, co pozostaje niewidoczne dla klasycznych mikroskopów.
Dzięki danym dyfrakcji neutronów z pojedynczych kryształów z TOPAZ oraz nowym narzędziom do redukcji danych i uczenia maszynowego z naszego projektu LDRD, możemy teraz z dużo większą pewnością rozwiązywać bardzo złożone struktury magnetyczne. Ta zdolność pozwala nam przejść od prostego znajdowania niezwykłych tekstur spinowych do celowego ich projektowania i optymalizowania dla przyszłych technologii informacyjnych i kwantowych – dodaje Xiaoping Wang z Oak Ridge National Laboratory
Wykrycie skyrmionów to jedno, ale istotą osiągnięcia jest wiedza, jak je tworzyć. To zasadnicza różnica między przypadkowym odkryciem a kontrolowanym procesem inżynierii materiałowej. Możliwości zastosowania nowego materiału skupiają się wokół kilku kluczowych obszarów. Po pierwsze, może on pozwolić na zwiększenie gęstości zapisu danych. Wirujące spiny mogą kodować informację w znacznie mniejszej objętości niż tradycyjne domeny magnetyczne w dzisiejszych dyskach twardych.
Po drugie, materiał oferuje potencjalnie lepszą efektywność transportu ładunku, co mogłoby przekładać się na szybsze działanie układów przetwarzających. Największą obietnicą jest jednak radykalne zmniejszenie zapotrzebowania na energię. Manipulacja skyrmionami wymaga minimalnych nakładów energetycznych w porównaniu z obecnymi technikami zapisu magnetycznego. W centrach danych, gdzie koszty prądu i chłodzenia są kolosalne, nawet niewielka poprawa wydajności ma ogromne znaczenie.
Ostatni, najbardziej futurystyczny kierunek, to wsparcie dla odpornych na błędy komputerów kwantowych. Skyrmiony z natury są stabilne, co teoretycznie mogłoby chronić kruche stany kwantowe przed dekoherencją i szumem. To jeden z głównych problemów, z jakimi mierzy się dziś kwantowe przetwarzanie informacji. Trzeba jednak przyznać, że droga od laboratoryjnego kryształu do praktycznego kwantowego bitu jest bardzo daleka.
Zmiana paradygmatu w poszukiwaniu materiałów
Dotychczasowe odkrywanie nowych substancji często przypominało poszukiwanie skarbu – naukowcy badali znane związki, mając nadzieję na trafienie na pożądaną cechę. Zespół z Florydy proponuje inne podejście: projektowanie predykcyjne, oparte na głębokim zrozumieniu zasad chemii i fizyki. Taka metoda ma dodatkową zaletę – poszerza pulę dostępnych składników. Zamiast polegać na rzadkich i drogich pierwiastkach, można eksperymentować z bardziej powszechnymi i tańszymi kombinacjami, co jest istotne dla przyszłej skalowalności produkcji.
Opracowany materiał to coś więcej niż tylko ciekawostka dla specjalistów. To namacalny dowód, że świadome manipulowanie strukturą na poziomie atomowym może prowadzić do uzyskania ściśle określonych właściwości. Jeśli uda się udoskonalić i upowszechnić tę metodologię, może ona stać się fundamentem dla całej nowej klasy materiałów funkcjonalnych, projektowanych od zera pod kątem konkretnych zadań technologicznych. N