Ερευνητές από τη Swiss Light Source (SLS), μια διεθνή συνεργασία μεταξύ της Τσεχικής Ακαδημίας Επιστημών και του Ελβετικού Ινστιτούτου Paul Scherrer (PSI), μόλις παρείχαν τα πρώτα συγκεκριμένα στοιχεία για την ύπαρξη ενός νέου τύπου μαγνητισμού! Με άρθρο στην επιστημονική επιθεώρηση Nature, οι ερευνητές εξηγούν πώς βρήκαν κάτι που προηγουμένως είχε προβλεφθεί μόνο θεωρητικά και το οποίο τώρα ανοίγει την πόρτα στην εξερεύνηση της σπιντρονικής, μιας τεχνολογίας που βρίσκεται ακόμα στα σπάργανά της, αλλά που υπόσχεται να φέρει επανάσταση σε πολλούς τομείς.

«Περίεργα» υλικά

Η ιστορία αυτής της έρευνας ξεκινά πριν από μερικά χρόνια, το 2019, όταν ο Τομάς Γιουγκίρθ (Tomas Jungwirth) του Ινστιτούτου Φυσικής της Τσεχικής Ακαδημίας Επιστημών και κύριος ερευνητής της μελέτης, μαζί με τους συναδέλφους του εντόπισαν μια νέα κατηγορία υλικών τα οποία συμπεριφέρονταν «περίεργα» από μαγνητική σκοπιά. «Περίεργα» με την έννοια ότι δεν χωρούσαν στις κλασικές μέχρι τότε γνωστές περιγραφές του σιδηρομαγνητισμού ή του αντισιδηρομαγνητισμού.

Οι τσέχοι φυσικοί ονόμασαν το φαινόμενο Αλτερoμαγνητισμό (Altermagnetism) και συνέχισαν τις έρευνές τους. Μέχρι το 2022 ανακαλύφθηκαν περισσότερα από 200 πιθανά αλτερομαγνητικά υλικά κάθε είδους: από μονωτές έως ημιαγωγούς, από μέταλλα έως υπεραγωγούς. Περιέργως, πολλά από αυτά τα υλικά ήταν γνωστά και ευρέως μελετημένα στο παρελθόν, χωρίς, ωστόσο, κανείς να έχει παρατηρήσει την αλτερομαγνητική τους φύση.

Οι τσέχοι φυσικοί και οι συνεργάτες τους επιβεβαίωσαν την ύπαρξη ενός αλτερομαγνήτη μελετώντας τη δομή κρυστάλλων τελλουρίδιου του μαγγανίου, το οποίο προηγουμένως θεωρούνταν αντισιδηρομαγνητικό. Χάρη στην υψηλή ακρίβεια και ευαισθησία των μετρήσεών τους μπόρεσαν να δείξουν ότι το τελλουρίδιο του μαγγανίου δεν είναι ούτε αντισιδηρομαγνήτης ούτε συμβατικός σιδηρομαγνήτης, αλλά ανήκει στη νέα κατηγορία μαγνητικών υλικών.

Είναι βέβαιο ότι η ανακάλυψη των τσέχων και των ελβετών επιστημόνων θα οδηγήσει στο να ξαναγραφτούν τα σχολικά και πανεπιστημιακά εγχειρίδια, ενώ ανοίγει και τεράστιες νέες ερευνητικές δυνατότητες. Στην πραγματικότητα, η ανακάλυψη εμπλουτίζει την κατανόησή μας για τη φυσική της ύλης, προσφέροντας μια πολλά υποσχόμενη πλατφόρμα για την εξερεύνηση της μη συμβατικής υπεραγωγιμότητας (μέσω νέων γνώσεων για τις υπεραγώγιμες καταστάσεις που μπορούν να προκύψουν σε διαφορετικά μαγνητικά υλικά).

Νέα ερευνητικά πεδία

Ισως όμως το πιο άμεσο όφελος να είναι οι τεχνολογικές εφαρμογές. Αρκεί να αναφέρουμε ότι, χωρίς εξωτερικά μαγνητικά πεδία όπως οι σιδηρομαγνήτες, οι αλετρομαγνήτες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία μαγνητικών συσκευών που δεν παρεμβαίνουν μεταξύ τους, προσφέροντας ίσως τη δυνατότητα αύξησης της χωρητικότητας αποθήκευσης σε σκληρούς δίσκους. Οι εμπορικές συσκευές περιέχουν σιδηρομαγνητικά υλικά τόσο σφιχτά συναρμολογημένα που τα μαγνητικά πεδία δημιουργούν παρεμβολές ενώ οι εναλλακτικοί μαγνήτες θα μπορούσαν να συναρμολογηθούν ακόμη πιο πυκνά χωρίς να πλήττονται από αυτό το πρόβλημα.

Ισως λίγο αργότερα στο μέλλον υπάρχει η υπόσχεση της σπιντρονικής, της ηλεκτρονικής που βασίζεται στο σπιν του ηλεκτρονίου, το οποίο, έχοντας τη δυνατότητα να υιοθετήσει μόνο δύο διαμορφώσεις, προσφέρεται για δυαδική κωδικοποίηση. Σε αυτή την περίπτωση, η ελπίδα είναι να γίνουν πραγματικότητα οι συσκευές spintronic μέσω μιας νέας γενιάς μικροεπεξεργαστών που είναι πολύ ταχύτεροι από τους σημερινούς και με χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας, συνδυάζοντας μνήμες και μικροτσίπ σε μία μόνο συσκευή.

«Ο Αλτερομαγνητισμός στην πραγματικότητα δεν είναι κάτι εξαιρετικά περίπλοκο» δήλωσε ο Τομάς Γιουγκίρθ. «Είναι κάτι εντελώς θεμελιώδες που ήταν μπροστά στα μάτια μας για δεκαετίες χωρίς να το προσέξουμε. Και δεν είναι κάτι που υπάρχει μόνο σε λίγα σκοτεινά υλικά. Υπάρχει σε πολλούς κρυστάλλους που οι άνθρωποι είχαν απλώς στα συρτάρια τους. Υπό αυτή την έννοια, τώρα που το φέραμε στο φως, πολλοί άνθρωποι σε όλο τον κόσμο θα μπορούν να εργαστούν πάνω σε αυτό, δίνοντας τη δυνατότητα για ευρύ αντίκτυπο».

Ανακαλύπτοντας τα μυστικά των μαγνητών

Ολοι γνωρίζουμε τους μαγνήτες ψυγείου, χαρακτηριστικό παράδειγμα σιδηρομαγνητισμού που μέχρι τον 20ό αιώνα θεωρείτο ότι ήταν ο μόνος τύπος μαγνητισμού που υπήρχε. Τότε αποδείχθηκε ότι οι μαγνητικές ιδιότητες ενός μακροσκοπικού αντικειμένου είναι το αποτέλεσμα αυτού που συμβαίνει σε μικροσκοπικό ή, καλύτερα, ατομικό επίπεδο. Ειδικότερα, έγινε κατανοητό ότι η περιστροφική κίνηση των (ηλεκτρικά φορτισμένων) ηλεκτρονίων δημιουργεί τη μαγνητική ροπή, σπιν. Δηλαδή, ένα φορτισμένο σωματίδιο σε κυκλική κίνηση μπορεί να θεωρηθεί ως ένα μικροσκοπικό πηνίο που διατρέχεται από ηλεκτρικό ρεύμα. Και σύμφωνα με τους νόμους του ηλεκτρομαγνητισμού, αυτό δημιουργεί μια μαγνητική ροπή με συγκεκριμένη κατεύθυνση (ως προς τον άξονα περιστροφής του σωματιδίου) και ένταση (η οποία εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του υλικού).

Ο μαγνητισμός ενός υλικού οφείλεται, λοιπόν, στον προσανατολισμό των μαγνητικών ροπών των ατόμων που το συνθέτουν. Στην περίπτωση των σιδηρομαγνητικών υλικών, οι μαγνητικές ροπές δείχνουν όλες προς την ίδια κατεύθυνση, προκαλώντας έτσι το είδος του μακροσκοπικού μαγνητισμού που οδηγεί το μαγνητάκι να κολλήσει στο ψυγείο.

Στη δεκαετία του 1930, ο γάλλος φυσικός Λουί Νελ (Louis Neel) ανακάλυψε έναν άλλο τύπο μαγνητισμού που ονομάστηκε αντισιδηρομαγνητισμός επειδή στην περίπτωση αυτή οι μαγνητικές ροπές έχουν εναλλασσόμενες κατευθύνσεις με αποτέλεσμα σε αυτά τα υλικά το μακροσκοπικό καθαρό μαγνητικό πεδίο να είναι μηδέν (και επομένως ένα «μαγνητάκι» φτιαγμένο από αντισιδηρομαγνητικό υλικό δεν θα κολλούσε ποτέ στο ψυγείο).

Το 2019 διαπιστώθηκε μια ανησυχητική συμπεριφορά του ηλεκτρικού ρεύματος στην κρυσταλλική δομή ορισμένων αντισιδηρομαγνητικών υλικών (το φαινόμενο Hall) που δεν μπορούσε να εξηγηθεί με τις εναλλασσόμενες περιστροφές. Στην πράξη το ρεύμα φαινόταν να κινείται χωρίς εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Τότε οι ερευνητές αρχίζουν να σκέφτονται την ύπαρξη ενός τρίτου τύπου μόνιμου μαγνητισμού, ακριβώς, του Αλτερομαγνητισμού.

Κανείς ωστόσο δεν είχε επιβεβαιώσει πειραματικά την ύπαρξη αυτού του Αλτερομαγνητισμού, πράγμα που έκανε πρόσφατα η τσεχοελβετική ερευνητική ομάδα.