Većina magneta s kojima se svakodnevno susrećemo izrađeni su od "feromagnetskih" materijala. Magnetske osi sjever-jug većine atoma u tim materijalima poredane su u istom smjeru pa je njihova kolektivna sila dovoljno jaka da proizvede značajno privlačenje. Ovi materijali čine osnovu za većinu uređaja za pohranu podataka u današnjem svijetu visoke tehnologije.

Brza promjena magnetskog polariteta

Manje su uobičajeni magneti na bazi ferimagnetskih materijala, sa "i". U njima su neki atomi poravnati u jednom smjeru, a drugi na suprotan način. Kao rezultat toga, ukupno magnetsko polje koje proizvode ovisi o ravnoteži između dva tipa - ako ima više atoma usmjerenih u jednom smjeru od drugog, ta razlika proizvodi neto magnetsko polje u tom smjeru.

U načelu, zbog svojih magnetskih svojstava pod snažnim utjecajem vanjskih sila, ferimagnetni bi materijali trebali biti u stanju pohraniti podatke ili služiti za izradu logičkih sklopova koji su mnogo brži i mogu primiti više podataka u određeni prostor od današnjih konvencionalnih feromagneta. No do sada nije postojao jednostavan, brz i pouzdan način promjene orijentacije ovih magneta kako bi se prebacili s 0 na 1 u uređaju za pohranu podataka.

Istraživači s MIT-a i drugih instituta razvili su takvu metodu, način brzog mijenjanja magnetskog polariteta ferimagneta za 180 stupnjeva, koristeći samo mali primijenjeni napon. Otkriće bi moglo uvesti novu eru ferimagnetske logike i uređaja za pohranu podataka, kažu istraživači.

Nalaze je u časopisu Nature Nanotechnology objavila grupa međunarodnih autora na čelu s postdoktorandom Mantaoom Huangom i Geoffreyjem Beachom, profesorom tehnologije materijala na MIT-u.

Uloga vodika

Novi sustav koristi gadolinij-kobalt, ferimagnet u kojem dva elementa tvore isprepletene rešetke atoma. Atomi gadolinija imaju magnetske osi poravnate u jednom smjeru, a atomi kobalta u drugom. Njihova ravnoteža u sastavu legure određuje ukupnu magnetizaciju materijala.

No, istraživači su otkrili da se pomoću napona za razdvajanje molekula vode na kisik i vodik kisik može odzračiti, dok atomi vodika - točnije njihove jezgre, koji su pojedinačni protoni - mogu duboko prodrijeti u materijal, što mijenja ravnotežu magnetskih orijentacija. Promjena je dovoljna za promjenu orijentacije neto magnetskog polja za 180 stupnjeva; riječ je o potpunom preokretu potrebnom za uređaje poput magnetskih memorija.

"Otkrili smo da učitavanjem vodika u ovu strukturu možemo smanjiti magnetski moment gadolinija", objašnjava Huang. Magnetski moment mjera je jačine polja nastalog poravnanjem osi rotacije osi.

Ovaj je proces visoko energetski učinkovit jer se promjena postiže samo promjenom napona, a ne primijenjenom električnom strujom koja bi uzrokovala zagrijavanje, a time i rasipanje energije.

Dobroćudan proces

Pokazalo se da je proces ubrizgavanja jezgri vodika u materijal izuzetno dobroćudan, a stabilnost je dokazana iscrpljujućim testovima. Materijal je 10.000 puta podvrgnut promjeni polariteta bez znakova degradacije, kaže Huang.

Pritom magnetsko poravnanje između pojedinih atoma u materijalu djeluje poput opruga. Ako se jedan atom počne pomicati drugačije od drugih, sila nalik opruzi povlači ga unatrag. A povezani objekti stvaraju valove koji mogu putovati duž materijala. Oni mogu oscilirati prema gore u rasponu od teraherca, objašnjavaju istraživači, "što ih čini jedinstveno sposobnima generirati ili osjetiti vrlo visokofrekventno elektromagnetsko zračenje. A to ne može učiniti puno materijala."

Relativno jednostavne primjene ovog fenomena, u obliku senzora, mogle bi biti moguće u roku od nekoliko godina; na složenije primjene, poput podatkovnih i logičkih krugova, trebat će se još malo pričekati jer je područje tehnologije temeljene na ferimagnetu relativno novo i još neistraženo.