Magnetyczne wiry oparte na… frustracji
Naukowcy połączyli dwa chemicznie podobne związki o odmiennych strukturach krystalicznych. Pierwszy to związek manganu, kobaltu i germanu, natomiast drugi: manganu, kobaltu i arsenu. German oraz arsen to sąsiedzi w układzie okresowym, więc ich podobieństwo chemiczne pozwoliło na połączenie struktur. Jednak różnice w symetrii krystalicznej wywołały zjawisko, które badacze nazwali „frustracją strukturalną”. Kiedy te niedopasowane struktury spotkały się, żadna z nich nie mogła być w pełni stabilna na granicy między dwoma składami. To właśnie ta niestabilność przełożyła się na „frustrację magnetyczną”, powodując skręcanie się spinów atomowych w wirujące wzory. Spiny atomowe, które normalnie układają się jednolicie, zaczęły tworzyć powtarzające się cykloidalne tekstury, czyli struktury znane jako tekstury spinowe typu skyrmionowego.
Czytaj też: Stworzyli go Chińczycy, a zazdrości im cały świat. To nowy materiał, z którym ogień nie ma szans
Myśleliśmy, że może ta frustracja strukturalna przełoży się na frustrację magnetyczną. Jeśli struktury konkurują ze sobą, być może to spowoduje skręcanie się spinów. Znajdźmy struktury, które są chemicznie bardzo podobne, ale mają różne symetrie – relacjonuje Michael Shatruk z Florida State University
Podejście to różni się diametralnie od tradycyjnych metod. Wcześniej naukowcy „polowali” na materiały, które przypadkowo zawierały odpowiednie wzory magnetyczne. Teraz zespół FSU pokazał, iż można je celowo projektować, wykorzystując chemiczne myślenie.
Dyfrakcja neutronów ujawnia złożoną strukturę magnetyczną
Określenie struktury magnetycznej nowego materiału wymagało zaawansowanych technik badawczych. Zespół wykorzystał dyfrakcję neutronów pojedynczych kryształów na instrumencie TOPAZ w Spallation Neutron Source. Ta technologia pozwoliła naukowcom zajrzeć w głąb struktury krystalicznej i potwierdzić obecność poszukiwanych tekstur spinowych. Kluczową rolę odegrały nowe narzędzia do redukcji danych i uczenie maszynowe. Dzięki nim badacze mogą teraz rozwiązywać bardzo złożone struktury magnetyczne ze znacznie większą pewnością niż kiedykolwiek wcześniej. To przełom, który otwiera drogę do celowego projektowania materiałów o pożądanych właściwościach magnetycznych.
Dzięki danym dyfrakcji neutronów pojedynczych kryształów z TOPAZ oraz nowym narzędziom do redukcji danych i uczenia maszynowego, możemy teraz rozwiązywać bardzo złożone struktury magnetyczne z znacznie większą pewnością. Ta zdolność pozwala nam przejść od prostego znajdowania nietypowych tekstur spinowych do celowego ich projektowania i optymalizowania dla przyszłych technologii informacyjnych i kwantowych – dodaje Xiaoping Wang z Oak Ridge National Laboratory
Rewolucja w technologii przechowywania danych i obliczeniach kwantowych
Zastosowania nowego materiału mogą być rewolucyjne w co najmniej trzech kluczowych obszarach. Po pierwsze, tekstury spinowe typu skyrmionowego mogą znacząco zwiększyć gęstość przechowywania danych. Dyski twarde wykorzystujące te wzory magnetyczne mogłyby pomieścić znacznie więcej informacji na tej samej powierzchni. Po drugie, materiał może poprawić wydajność transportu elektronów. Kluczowa jest tu niska energia potrzebna do manipulowania skyrmionami.
W ogromnych superkomputerach z tysiącami procesorów, te niższe obciążenia energetyczne mogą prowadzić do ogromnych oszczędności w kosztach energii elektrycznej i chłodzenia. To nie tylko korzyść ekonomiczna – to także krok w stronę bardziej ekologicznych technologii. Po trzecie, badania mogą pomóc w rozwoju kwantowych obliczeń odpornych na błędy. Stabilne wzory magnetyczne mogłyby chronić delikatne informacje kwantowe i działać niezawodnie pomimo błędów i szumów, świętego Graala przetwarzania informacji kwantowych.
Czytaj też: Drut kwantowy bez oporu. Fizycy stworzyli gaz łamiący zasady termodynamiki
Ideą jest możliwość przewidywania, gdzie pojawią się te złożone tekstury spinowe. Tradycyjnie fizycy polują na znane materiały, które już wykazują poszukiwaną symetrię i mierzą ich właściwości. Ale to ogranicza zakres możliwości. My staramy się opracować zdolność przewidywania, aby powiedzieć: jeśli połączymy te dwie rzeczy, utworzymy zupełnie nowy materiał o tych pożądanych właściwościach – podsumowuje Ian Campbell z Florida State University
Podejście “chemicznego myślenia” ma jeszcze jedną istotną zaletę. Pozwala na rozszerzenie listy składników do produkcji materiałów zawierających tekstury spinowe typu skyrmionowego. To oznacza tańsze, łatwiejsze w hodowli kryształy i bardziej stabilny łańcuch dostaw dla przyszłych technologii. W czasach, gdy dostępność surowców staje się coraz większym wyzwaniem, możliwość przewidywania i projektowania nowych materiałów o pożądanych właściwościach może okazać się bezcenna.