Die meisten Magnete, denen wir täglich begegnen, bestehen aus „ferromagnetischen“ Materialien. Die Nord-Süd-Magnetachsen der meisten Atome in diesen Materialien sind in die gleiche Richtung ausgerichtet, sodass ihre kollektive Kraft stark genug ist, um eine erhebliche Anziehungskraft zu erzeugen. Diese Materialien bilden die Basis für die meisten Datenspeicher in der heutigen Hightech-Welt.

Seltener ist ein Magnet auf Basis ferromagnetischer Materialien mit dem Buchstaben „i“. Bei diesen sind einige der Atome in eine Richtung ausgerichtet, andere jedoch genau in die entgegengesetzte Richtung. Infolgedessen hängt das von ihnen erzeugte Gesamtmagnetfeld vom Gleichgewicht zwischen den beiden Typen ab – wenn mehr Atome in eine Richtung als in die andere gerichtet sind, führt dieser Unterschied zu einem Nettomagnetfeld in dieser Richtung.

Grundsätzlich sollten ferromagnetische Materialien aufgrund ihrer magnetischen Eigenschaften, die stark von äußeren Kräften beeinflusst werden, in der Lage sein, Datenspeicher oder logische Schaltungen zu erzeugen, die viel schneller sind und mehr Daten auf einen gegebenen Raum packen können als heutige herkömmliche Ferromagnete. Bisher gab es jedoch keine einfache, schnelle und zuverlässige Möglichkeit, die Ausrichtung dieser Magnete umzuschalten, um in einem Datenspeicher von 0 auf 1 umzuschalten.

Forscher am MIT und anderswo haben eine solche Methode entwickelt, eine Methode zum schnellen Umschalten der magnetischen Polarität eines 180-Grad-Ferromagneten mit geringem Aufwand. Die Forscher sagen, dass die Entdeckung eine neue Ära ferromagnetischer Logik- und Datenspeichergeräte einläuten könnte.

Die Ergebnisse erscheinen im Journal Nanotechnologie der Natur, in einem Artikel von Postdoc Mantao Huang, MIT-Professor für Materialwissenschaft und Technologie Jeffrey Beech und Professor für Nuklearwissenschaft und -technologie Bilge Yildiz, zusammen mit 15 anderen am MIT und in Minnesota, Deutschland, Spanien und Korea.

Das neue System verwendet einen Film aus einem Material namens Gadolinium-Kobalt, das zu einer Klasse von Materialien gehört, die als Seltenerd-Übergangsmetall-Ferromagnete bekannt sind. Darin bilden die beiden Elemente verschränkte Atomnetzwerke, Gadoliniumatome bevorzugen ihre magnetischen Achsen, die in eine Richtung ausgerichtet sind, während Kobaltatome in die entgegengesetzte Richtung zeigen. Das Gleichgewicht zwischen den beiden bestimmt die Zusammensetzung der gesamten magnetischen Legierung des Materials.

Die Forscher fanden jedoch heraus, dass durch die Verwendung eines elektrischen Potenzials, um Wassermoleküle entlang der Oberfläche des Films in Sauerstoff und Wasserstoff zu spalten, der Sauerstoff abgeführt werden könnte, während die Wasserstoffatome – oder genauer gesagt ihre Kerne, die einzelne Protonen sind – in die Material tief. Dadurch ändert sich das Gleichgewicht der magnetischen Richtungen. Die Änderung reicht aus, um die Richtung des Nettomagnetfelds um 180 Grad zu ändern – genau die Art der vollständigen Umkehrung, die für Geräte wie magnetische Speicher erforderlich ist.

„Wir haben herausgefunden, dass wir durch das Laden von Wasserstoff in diese Struktur das magnetische Moment von Gadolinium stark reduzieren können“, erklärt Huang. Das magnetische Moment ist ein Maß für die Feldstärke, die durch die Ausrichtung der Spinachse eines Atoms verursacht wird.

Da die Änderung nur durch Änderung der Spannung erfolgt und nicht durch den angelegten elektrischen Strom, der eine Erwärmung und damit Energieverschwendung durch Wärmeableitung verursachen würde, ist dieser Prozess sehr energieeffizient, sagt Beach, Co-Direktor der Materialforschung am Massachusetts Institute der Technologie. Labor.

Das Pumpen von Wasserstoffkernen in das Material habe sich als bemerkenswert harmlos erwiesen, sagt er. Sie könnten denken, dass, wenn Sie ein Material nehmen und einige andere Atome oder Ionen in dieses Material pumpen, es sich ausdehnen und knacken würde. Bei diesen Filmen stellt sich jedoch heraus, dass das Proton aufgrund der Tatsache, dass es eine so kleine Einheit ist, die Masse dieses Materials durchdringen kann, ohne die Art von struktureller Ermüdung zu verursachen, die zum Versagen führt.“

Diese Stabilität wurde durch strenge Tests nachgewiesen. Huang sagt, dass das Material 10.000 Polumkehrungen ohne Anzeichen einer Verschlechterung durchgemacht hat.

Beach sagt, dass das Material zusätzliche Eigenschaften hat, die nützliche Anwendungen finden können. Er erklärt, dass die magnetische Ausrichtung zwischen den einzelnen Atomen im Material ein bisschen wie Federn wirkt. Bewegt sich eines der Atome aus der Ausrichtung zu den anderen, zieht es diese federartige Kraft zurück. Und wenn Gegenstände durch Federn verbunden sind, neigen sie dazu, Wellen zu erzeugen, die sich entlang des Materials ausbreiten können. „Bei diesem magnetischen Material nennt man das Spinwellen. Man bekommt Magnetisierungsschwingungen im Material, die sehr hohe Frequenzen haben können.“

Tatsächlich kann es aus dem Terahertz-Bereich nach oben schwingen, sagt er, „was es einzigartig in der Lage macht, hochfrequente elektromagnetische Strahlung zu erzeugen oder zu erfassen. Das können nicht viele Materialien.“

Beach sagt, dass relativ einfache Anwendungen dieses Phänomens in Form von Sensoren in wenigen Jahren möglich sein könnten, komplexere Anwendungen wie Daten- und Logikschaltungen jedoch länger dauern werden, auch weil die gesamte Technologie auf der Grundlage von Ferromagneten ist relativ neu.

Er sagt, dass die zugrunde liegende Methodik, abgesehen von diesen spezifischen Arten von magnetischen Anwendungen, auch andere Anwendungen haben könnte. „Dies ist eine Möglichkeit, die Eigenschaften einer Materiemasse mithilfe eines elektrischen Felds zu steuern“, erklärt er. „Das ist an sich schon ziemlich cool.“ Es wurden andere Arbeiten zur Steuerung der Oberflächeneigenschaften durch angelegte Spannungen durchgeführt, aber die Tatsache, dass diese Methode zum Pumpen von Wasserstoff eine so tiefgreifende Veränderung ermöglicht, sagt er.

Das Team umfasste Forscher der ALBA Synchrotron Light Source der University of Minnesota in Barcelona, ​​​​Spanien. Technische Universität Chemnitz; Leibnitz IFW in Deutschland; Koreanisches Institut für Wissenschaft und Technologie; und Yonsei-Universität in Seoul. Die Arbeit wurde von der National Science Foundation unterstützt; Defense Advanced Research Projects Agency. Spintronic Materials Center for Advanced Information Technologies; Korea Institut für Wissenschaft und Technologie; Deutsche Wissenschaftsstiftung; Spanisches Ministerium für Wirtschaft und Wettbewerbsfähigkeit; und das Kavanaugh Fellows Program im Department of Materials Science and Engineering am MIT.