Electricitate vs magnetismCercetătorii de la ETH Zürich şi de la Paul Scherrer Institute (PSI) au demonstrat cum poate fi modificată rapid structura magnetică din unele materiale noi. Efectul ar putea fi folosit în cadrul unor hard disk-uri performante din viitor.

 

 

Datele de pe un hard-disk sunt stocate în cadrul unor mici domenii magnetice. Cercetătorii de la Paul Scherrer Institute (PSI) şi ETH Zürich au reuşit să modifice configuraţia magnetică dintr-un material mult mai rapid decât este posibil în prezent în cadrul hard disk-urilor. Cercetătorii au folosit o nouă tehnică în care un câmp electric declanşează aceste modificări, în contrast cu câmpurile magnetice care sunt folosite frecvent în dispozitivele actuale care sunt larg răspândite. Această metodă foloseşte un nou tip de material în care proprietăţile magnetice şi cele electrice sunt cuplate între ele. Acest tip de interacţiune puternică dintre proprietăţile magnetice şi cele electrice ar putea avea numeroase avantaje în cadrul unor dispozitive tehnice viitoare. De exemplu, un câmp electric poate fi generat mai uşor într-un dispozitiv decât un câmp magnetic. În cadrul experimentului de faţă modificarea configuraţiei magnetice a avut loc într-un interval de timp de ordinul picosecundelor (a mia parte dintr-o miliardime de secundă) şi ea a putut fi observată cu ajutorul unor flash-uri de raze X provenite de la un laser de tip LCLS (n.t. Linac Coherent Light Source). Flash-urile sunt atât de scurte încât practic se poate vedea cum se modifică magnetizarea de la o imagine la alta, similar modului în care reuşim să captăm mişcarea unui atlet aflat în mişcare cu o cameră normală printr-o serie de imagini preluate cu un timp de expunere de scurtă durată. În viitor astfel de experimente ar trebui să fie, de asemenea, posibil de realizat în cadrul X-ray laser SwissFE al Paul Scherrer Institute.

Rezultatele vor fi publicate în revista Science. Ele apar online în avans în cadrul Science Express din data de 6 martie 2014.

electricitate si magnetism

Principiul experimentului. Mişcarea momentelor magnetice din TbMnO3 (indicată prin săgeţile din partea din dreapta a imaginii) este excitată de către un puls laser având frecvenţa de ordinul terahertzilor (fascicolul roşu) şi este studiată cu ajutorul unui puls de la un laser cu raze X de tip LCLS (fascicolul albastru). Credit: Teresa Kubacka.

O metodă obişnuită de stocare a datelor utilizează materiale în care diferite domenii magnetice pot fi orientate în direcţii diferite. Cu alte cuvinte, mici magneţi elementari din interiorul materialului se aliniază pe două direcţii posibile, ceea ce permite ca un bit de informaţie să poată fi salvat în cadrul materialului. Un bit este cea mai mică unitate de informaţie pentru care pot exista două valori posibile care sunt adesea menţionate ca 0 şi 1. În dispozitivul de stocare a datelor acestea corespund la două direcţii magnetic diferite. Într-un hard-disk real care trebuie să stocheze o cantitate mare de informaţii există mai multe zone mici care corespund unor biţi individuali. Pentru a schimba informaţiile de pe unitatea de hard-disk trebuie ca direcţia de magnetizare dintr-un domeniu al acestuia să fie inversată. În dispozitivele moderne destinate publicului larg acest lucru este realizat prin utilizarea unui mic câmp magnetic.

Un câmp electric poate fi generat într-un spaţiu mic mai uşor decât un câmp magnetic, ceea ce înseamnă că, în principiu, pot fi construite dispozitive de stocare mai mici, dacă magnetismul este modificat de către câmpurile electrice. S-a constatat o legătură puternică între proprietăţile magnetice şi cele electrice în cadrul aşa-numitelor materiale multiferoice care au reprezentat unul dintre cele mai de interes subiecte în ceea ce priveşte cercetarea materialelor timp de mai mulţi ani. În prezent cercetătorii de la Paul Scherrer Institute şi ETH Zürich au studiat materialul TbMnO3 şi au demonstrat cum configuraţia sa magnetică poate fi modificată de către un câmp electric într-un interval de timp de ordinul picosecundelor (adică în 10^-12 s sau într-o trilionime dintr-o secundă), ceea ce este considerabil mai mic decât timpul necesar pentru ca câmpul magnetic al hard-disk-urilor din prezent să fie modificat. „Acest lucru arată că materialele multiferoice pot fi modificate electric destul de repede pentru a fi folosite în cadrul unor dispozitive de stocare magnetică", explică Urs Staub, conducătorul unui grup de cercetare de la PSI şi unul dintre cei care supervizează proiectul de cercetare. „Comutarea electrică ar putea avea numeroase avantaje. Pentru a genera un câmp magnetic este necesară o bobină prin care trece un curent electric. Un câmp electric poate fi generat fără curent."

"Materialul pe care l-am studiat nu poate fi folosit în cadrul dispozitivelor tehnice deoarece sunt necesare temperaturi foarte scăzute şi câmpuri electrice puternice pentru a observa fenomenele relevante. Cu toate acestea, principiile de bază ale experimentului se pot, probabil, aplica pentru materiale care sunt mai potrivite pentru aplicaţii tehnice şi care, probabil, vor consta dintr-o combinaţie de straturi subţiri formate din materiale diferite".

Timpul de expunere: 0,0000000000001 s

distributie momente magnetice

Distribuţia momentelor magnetice în TbMnO3. Momentele magnetice din vecinătate sunt înclinate unele în raport cu celelalte. Există două direcţii posibile în care momentele magnetice se pot orienta, ceea ce ar putea corespunde celor două valori ale unui bit de informaţie din dispozitivele viitoare de stocare. Credit: Kubacka et al., Science Express (2014) DOI: 10.1126/science.1242862.

Experimentul se bazează pe interacţiunea unor pulsuri laser produse de două lasere. Este vorba despre un puls laser având frecvenţa de ordinul terahertzilor ce este generat de un laser care cu uşurinţă poate să încapă într-un laborator şi de radiaţiile de la un laser cu raze X denumit Linac Coherent Light Source (LCLS), cel care reprezintă un centru de cercetare de mari dimensiuni care se află la SLAC National Accelerator Laboratory din Menlo Park, California şi care are aproximativ trei kilometri în lungime. În cadrul experimentului materialul a fost bombardat cu flash-uri având frecvenţa de ordinul terahertzilor şi care aveau o durată de doar câteva picosecunde. Radiaţia electromagnetică este formată dintr-un câmp electric și un câmp magnetic a căror intensitate variază în mod periodic, aceasta devenind mai puternică sau mai slabă. Flash-urile laser având o frecvenţă de ordinul terahertzilor au fost atât de scurte, încât câmpurile electrice din ele au putut oscila de un număr mic de ori. Prin intermediul experimentelor de la LCLS cercetătorii au putut să demonstreze că configuraţia magnetică din material a fost modificată de flash-ul laser şi, cu o mică întârziere, această modificare a fost ghidată de oscilaţia câmpului electric din raza laser. Componenta magnetică din raza laser a fost prea slabă pentru a modifica structura magnetică a materialului. Laserul cu raze X generează flash-uri intense de raze X având o durată foarte scurtă (de 100 femtosecunde, adică 0,0000000000001 s) care durează mult mai puţin decât flash-ul având frecvenţa de ordinul terahertzilor. Acest lucru permite ca prin intermediul razelor X să se măsoare modificarea configuraţiei magnetice a materialului de-a lungul diferitelor faze de mişcare ale acesteia, similar modului prin care un aparat de fotografiat având un timp scurt de expunere poate capta imagini ale unor deplasări rapide. În prezent LCLS este unul dintre cele două centre de cercetare în care astfel de experimente sunt posibil de realizat. În viitor va fi posibil ca aceste experimente să poată fi efectuate, de asemenea, la X-ray laser SwissFEL, care este în prezent în faza de construcţie în cadrul Paul Scherrer Institute. „Un experiment ca acesta poate fi realizat doar cu ajutorul unui laser cu raze X deoarece numai pulsurile laser cu raze X ne pot arăta configuraţia magnetică, ele având o durată suficient de mică pentru a se putea urmări secvenţele cronologice din acest proces", explică Staub.


Magneţi elementari înclinaţi

Materialele magnetice care pot fi folosite pentru a stoca date pot avea diferite configuraţii magnetice. În hard disk-urile de azi zonele magnetice sunt aranjate într-un mod feromagnetic, ceea ce înseamnă că magneţii elementari sau, pentru a folosi un termen tehnic, momentele magnetice sunt îndreptate toate în aceeași direcţie în cadrul în cadrul unei zone de înregistrare a unui bit. În materialul studiat în acest experiment momentele magnetice ale acestuia sunt aranjate în rânduri astfel încât două momente magnetice vecine sunt rotite uşor unul în raport cu altul, în loc ca acestea să fie paralele. Dacă vă deplasaţi de la un moment magnetic la altul, direcţia momentelor se va schimba şi în ansamblu secvenţa momentelor magnetice formează o cicloidă. În general vorbind, există două direcţii în care momentele magnetice se pot orienta, în sensul acelor de ceasornic și în sens invers acelor de ceasornic și acestea ar putea corespunde la cele două valori ale unui bit de informaţie. Pentru a se obţine valorile de „0" și „1" momentele magnetice ar trebui să-şi schimbe direcţia în cadrul secvenţei de momente, ceea ce este echivalent cu rotirea întregii secvenţe de momente magnetice cu 180 de grade.

Deplasarea sarcinilor electrice

Materialul multiferoic are, de asemenea, o altă proprietate: polarizarea electrică, ceea ce înseamnă că sarcinile pozitive și negative se pot deplasa ușor unele în raport cu celelalte. Interiorul materialului este construit din atomi care au poziţii fixe într-o structură tridimensională. Deoarece în atomi numărul de sarcini electrice negative (electroni) este egal cu cel al sarcinilor electrice pozitive (nucleele atomice) întregul material este neutru din punct de vedere electric. Cu toate acestea, unii electroni nu sunt fixaţi rigid faţă de nucleele atomice. Aceşti electroni se pot deplasa în raport cu nucleele atomice, ceea ce înseamnă că o parte din material este încărcată electric pozitiv, iar o altă parte este încărcată electric negativ. Cu alte cuvinte, materialul este polarizat electric. În viaţa de zi cu zi materiale polarizate electric sunt cunoscute în primul rând datorită efectului piezoelectric care este folosit pentru a produce, de exemplu, scântei în brichete sau sunete în difuzoare.

Legătura dintre câmpul electric și cel magnetic

variatie momente magnetice

Variaţia momentelor magnetice (linia neagră) urmează, cu o mică întârziere, câmpul electric al pulsului laser având frecvenţa de ordinul terahertzilor (linia roșie). Punctele albastre arată rezultatele măsurătorilor. Credit: Kubacka et al., Science Express (2014) DOI: 10.1126/science.1242862.

În TbMnO3 polarizarea electrică este condiţionată de configuraţia magnetică, ceea ce înseamnă că dacă momentele magnetice se orientează într-o direcţie, atunci aceasta corespunde întotdeauna unei alinieri a polarizării electrice. De asemenea, dacă aţi inversa polarizarea electrică atunci şi direcţia de rotaţie a momentelor magnetice se va schimba. Cercetătorii au studiat acest cuplaj în cadrul experimentul lor. Utilizând câmpul electric alternativ al unui puls laser având frecvenţa de ordinul terahertzilor, ei au modificat polarizarea electrică şi au observat în ce măsură configuraţia magnetică a materialului a urmat câmpul alternativ. Deşi câmpul electric a fost prea slab pentru a roti secvenţa momentelor magnetice cu 180 de grade, oamenii de ştiinţă au putut observa că aceasta s-a modificat cu aproximativ patru grade în acelaşi timp cu variaţia câmpului electric. „Această tehnică este importantă, de asemenea, pentru diferite aplicaţii posibile", explică Teresa Kubacka, un doctorand din cadrul Ultrafast Dynamics Group al ETH Zürich şi autorul principal al lucrării. „Pulsul terahertz este conceput astfel încât să influenţeze configuraţia magnetică numai în acest mod special. Dacă configuraţia magnetică dintr-un dispozitiv ar putea fi schimbată în acest mod special atunci s-ar pierde mult mai puţină energie şi materialul nu s-ar mai încălzi la fel de mult".

Precizia de măsurare

Este pentru prima dată când a fost posibil să se măsoare atât de precis o astfel de schimbare rapidă dintr-un material multiferoic. Unghiul cu care s-au modificat momentele magnetice a fost determinat folosind flash-uri scurte de la un laser LCLS în cadrul unui experiment de împrăştiere. Acesta a implicat trimiterea unui fascicul de raze X prin eşantionul studiat şi observarea direcţiilor în care razele X au fost deviate de către mostră. În cazul acestui material există direcţii în care pulsul laser este deviat de structura atomică şi direcţii în care deviaţia acestuia este cauzată de momentele magnetice. Dacă se modifică configuraţia magnetică a materialului atunci intensitatea razei X împrăştiate se va modifica. În cadrul experimentului cercetătorii au măsurat intensitatea razei X împrăştiate în momente diferite de timp pentru o anume direcţie aleasă. În continuare ei au calculat cum reacţionează momentele magnetice la câmpului electric din flash-ul laser având frecvenţa de ordinul terahertzilor.

Provocările experimentale

„Unele dintre provocările acestui experiment au constat în a obţine un flash laser de ordinul terahertzilor având frecvenţa corectă şi garantarea faptului că o mare parte din acesta ajunge la mostra de material. Aceste flash-uri laser nu au fost generate în mod direct de laser ci mai degrabă ele au fost obţinute cu ajutorul unor cristale organice speciale care au fost lovite de pulsurile laser având o frecvenţă diferită. La ETH Zurich încercăm, de asemenea, să construim echipamente care să generează pulsuri terahertz şi în acest fel am colaborat cu specialiștii de la PSI şi LCLS pentru a putea adapta laserele disponibile la LCLS la cerinţele speciale din cadrul experimentului nostru", a declarat Kubacka.



Traducere de Cristian-George Podariu după x-ray-laser-electricity-magnetism, cu acordul phys.org.