Forskare vid Paul Scherrer-institutet i Schweiz har visat att magnetism i ett material kan styras med hjälp av elektriska fält – helt utan behov av tunga magneter. Upptäckten öppnar för nya tillämpningar inom energieffektiv datalagring, sensorer och elektronik.
I centrum för forskningen står ett udda kristallmaterial: kopparoxyselenid, ett olivgrönt ämne som vid låga temperaturer utvecklar komplexa magnetiska strukturer. Genom att applicera elektriska fält kunde forskarna få dessa mönster att böjas, vridas och till och med vända riktning – ett fenomen som aldrig tidigare observerats i så kallade magnetoelektriska material.
Elfält styr magnetiska mönster i kristall
– Förmågan att styra så stora magnetiska texturer med elektriska fält visar vad som är möjligt när kreativa experiment kombineras med världsledande forskningsinfrastruktur, säger Jonathan White, forskare vid Paul Scherrer-institutets neutronkälla SINQ.
Magnetoelektriska material ger hopp om grönare teknik
Bakgrunden till forskningen är det växande behovet av energieffektiva teknologier, särskilt inom områden som artificiell intelligens och datacenter, där energiförbrukningen ökar snabbt. Magnetoelektriska material – där elektriska och magnetiska egenskaper är tätt kopplade – kan ge en lösning. De gör det möjligt att kontrollera magnetism med elektricitet, vilket i sin tur kan minska energibehovet för att lagra och bearbeta data.
Kopparoxyselenid (Cu₂OSeO₃) är ett exempel på ett sådant material. Vid låga temperaturer ordnar sig atomernas spinn i ovanliga mönster som spiralformade helixar och koner. Dessa strukturer är mycket större än materialets atomgitter och är inte bundna till dess geometri, vilket gör dem extra lämpliga för att manipuleras.
I vanliga material är magnetiska strukturer ofta låsta i vissa riktningar. Men i kopparoxyselenid kunde forskarna vid PSI, genom att tillsätta elektrisk spänning, ändra riktningen på de magnetiska mönstren – ett fenomen de kallar magnetoelektrisk avböjning.
För att studera dessa strukturer använde teamet en neutronkälla där strålar av neutroner riktas mot materialet. Genom så kallad småvinklig neutronstrålning (SANS) kunde de i detalj kartlägga hur magnetismen rörde sig inne i kristallen medan ett elektriskt fält samtidigt applicerades.
– Anledningen till att vi kan fånga ett så subtilt fenomen som magnetoelektrisk avböjning är den exceptionella upplösningen och mångsidigheten i SANS-I-instrumentet, säger Jonathan White.
Tre reaktioner på elektriskt fält
Upptäckten av magnetoelektrisk avböjning ledde till en närmare analys av hur fenomenet faktiskt fungerar. Forskarna såg att kristallens magnetiska strukturer reagerade på olika sätt beroende på hur starkt det elektriska fältet var.
Vid låga fält vred sig mönstren lätt och linjärt. Medelstarka fält gav upphov till mer komplexa, icke-linjära reaktioner. Vid starka elektriska fält skedde dramatiska omkastningar – mönstren kunde byta riktning med hela 90 grader.
– Var och en av dessa reaktioner lämnar unika avtryck, som skulle kunna utnyttjas i framtida sensorer och lagringslösningar, säger Sam Moody, postdoktoral forskare vid PSI och huvudförfattare till studien.
Han lyfter särskilt fram möjligheten att utveckla hybridenheter, där olika magnetiska tillstånd kan styras exakt genom att variera styrkan på det elektriska eller magnetiska fältet.
Förutom sina praktiska tillämpningar kan upptäckten också bidra till att fördjupa förståelsen av grundläggande fysik. Det är ytterst ovanligt att kunna manipulera magnetism på detta sätt, och forskarnas arbete visar att det är möjligt att påverka stora magnetiska strukturer utan att tillföra extern magnetisk energi – en egenskap som gör tekniken intressant ur ett hållbarhetsperspektiv.
Källa:
Material från Paul Scherrer-institutet. Innehållet kan ha redigerats för stil och längd.
