Magneettinen polaroni luotu ensimmäistä kertaa

Aalto-yliopiston ja Lawrence Berkeleyn kansallisen laboratorion tutkijat ovat osoittaneet, että magneettisesti varattuja komposiittihiukkasia, polaroneja, voidaan keinotekoisesti luoda rakentamalla nanomagneetteja piipinnalle. Magneettisia varauksia pystytään hallitsemaan ja liikuttamaan, mikä voi mahdollistaa sen, että uudet nanotekniikan laitteet, kuten esimerkiksi tietokonemuistit, voivat perustua sähkövarausten sijaan magneettisiin polaroneihin.

Polaronit ovat esimerkki ilmiöistä, joita syntyy tiiviin aineen fysiikassa. Polaroni syntyy, kun kidehilan läpi liikkuva elektroni syrjäyttää ympäröiviä ioneja ja niistä muodostuu yhdessä tehokas kvasihiukkanen eli polaroni, jolla on aivan erilainen energia ja massa kuin pelkällä elektronilla.

Tutkijat käyttivät materiaalisuunnittelua välineenä ja loivat tutkimusta varten uuden keinotekoisen materiaalin, spinjään.

Keinotekoiset spinjäät ovat metamateriaaleja, jotka koostuvat pinnalle litografisesti kuvioiduista nanomagneeteista. Spinjään yksittäiset magneettiset rakenneosat ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa magneettikenttien välityksellä.

Elektronimikroskooppikuva pienestä osasta dipolaarista noppahilaa. Spinjäärakenne koostuu toistensa kanssa vuorovaikutuksessa olevista ferromagneettisista nanosaarekkeista. Kokeellinen hila koostuu useista tuhansista nanosaarekkeista, ja se on tuotettu elektronisädelitografialla.

”Oikean kaksiulotteisen hilageometrian suunnittelu mahdollisti magneettisten polaronien syntymisen ja hajoamisen reaaliaikaisen tarkkailun,” sanoo Lawrence Berkeleyn kansallisen laboratorion (USA) tutkijatohtori Alan Farhan.

”Otimme käyttöön dipolaarisen noppahilan, koska se on hyvin frustroitunut, mikä tarkoittaa, että kaikkia kilpailevia magneettisia vuorovaikutuksia ei voi samanaikaisesti optimoida nanomagneettien järjestämisellä. Kuten aina luonnossa, keinotekoinen hilamme pyrkii matalaenergiseen tasapainotilaan. Tämän vuoksi aina, kun magneettisia polaroneja syntyy, niiden ympärille syntyy polaroneja, joilla on vastakkainen, kumoava varaus”, selittää Alan Farhan.

Berkeleyn tutkijat käyttivät havaintojen tekemiseen fotoemissioon perustuvaa elektronimikroskopiaa (PEEM). Tekniikalla voidaan kuvantaa yksittäisten nanomagneettien magnetoitumaa ja sen suuntaa. Magneettisten momenttien lämpötilasta johtuvaa vaihtelua ja magneettisten polaronien syntymistä ja hajoamista voitiin kuvantaa reaalitilassa ja -ajassa. Aalto-yliopiston tutkijatohtori Charlotte Peterson ja professori Mikko Alava tekivät tietokonesimulaatioita, jotka vahvistivat spinjään termodynaamisen käyttäytymisen.

”Kokeet osoittavat myös, että magneettisia virittymisiä voi ohjata mielin määrin valitsemalla viisaasti hilageometrian ja yksittäisten nanomagneettien koon ja muodon. Siten keinotekoinen spinjää on erinomainen esimerkki suunnitellusta materiaalista. Sen sijaan, että tyydyttäisiin siihen, mitä luonto tarjoaa, voidaan rakennepalikoista koota nyt uusia materiaaleja, joiden toiminnallisuudet ovat tarkoituksellisesti suunniteltuja”, sanoo Aalto-yliopiston professori Sebastiaan van Dijken.

”Tämä kaikki tarkoittaa paljon muutakin kuin vain magneettisia metamateriaaleja. Alue on vasta nousussa ja tulee muokkaamaan materiaalitutkimuksen rajoja dramaattisesti seuraavalla vuosikymmenellä”, lisää professori van Dijken.

Tutkimusartikkeli:
Alan Farhan, Andreas Scholl, Charlotte F. Petersen, Luca Anghinolfi, Clemens Wuth, Scott Dhuey, Rajesh V. Chopdekar, Paula Mellado, Mikko J. Alava & Sebastiaan van Dijken.
Thermodynamics of emergent magnetic charge screening in artificial spin ice.
Nature Communications 7 (2016). http://dx.doi.org/10.1038/ncomms12635

Yhteystiedot:

Tohtori Alan Farhan
afarhan@lbl.gov
Lawrence Berkeleyn kansallinen laboratorio

Professori Mikko Alava
mikko.alava@aalto.fi
050 413 2152
Aalto-yliopisto

Professori Sebastiaan van Dijken
sebastiaan.van.dijken@aalto.fi
050 316 0969
Aalto-yliopisto

Advanced Light Source, Lawrence Berkeley National Laboratory, USA: https://www-als.lbl.gov/
Complex Systems and Materials group, Aalto University, Finland: http://physics.aalto.fi/en/groups/csm/
Nanomagnetism and Spintronics group, Aalto University: http://physics.aalto.fi/en/groups/nanospin/