Professor Arne Brataas og post-doc Kjetil Hals har regnet seg fram til at det i visse magnetiske materialer vil genereres en elektrisk strøm hvis man får elektronene i materialet til å endre spinnretning.
Illustrasjon: Geir Mogen/NTNU

Strøm kan lages på nanonivå

Ny kunnskap om sammenhengen mellom magnetisme og elektrisitet kan føre til nye måter å lagre data på.

I en vanlig norsk kraftstasjon skapes det strøm i elektriske ledere som påvirkes av magnetfeltet til en roterende magnet. Nå har forskere ved NTNU og Cambridge funnet en ny måte å generere en elektrisk strøm: ikke av et magnetisk felt, men i selve magneten. Studiet viser en hittil ukjent sammenheng mellom magnetisme og elektrisitet, og kunnskapen kan bli nyttig i den videre utviklingen av elektronikk.

Det å kunne skape og endre høyfrekvente strømmer er sentrale i blant annet trådløse kommunikasjonsenheter som mobiltelefoner, WLAN-moduler i PCer og Bluetooth-enheter. I disse enhetene er det mange kretser som fanger opp og sender signaler. Med den nye kunnskapen kan det være mulig å styre frekvensene på en annen og raskere måte enn den vi bruker i dag.

Endrer spinnretning

Et materiale kan bli magnetisk fordi elektronene tilsynelatende spinner rundt sin egen akse. En ferromagnet har den egenskapen at elektronene stort sett spinner i samme retning.

Fysikkprofessor Arne Brataas ved NTNU har, i samarbeid med sin post-doc Kjetil Hals, regnet seg fram til at det i visse magnetiske materialer vil genereres en elektrisk strøm hvis man får elektronene i materialet til å endre spinnretning. Når spinnretningen endres, endres også den magnetiske retningen i materialet. Gjentatte endringer vil resultere i en elektrisk vekselstrøm.

Brataas samarbeidet med forskerkolleger ved Cambridge som gjennomførte laboratorietester av teorien. De klarte å måle de elektriske spenningsendringene, noe som beviser at Brataas’ teori stemte.

Forskningsartikkelen om dette arbeidet ble nylig publisert i det anerkjente forskningstidsskriftet Nature Nanotechnology.

Spinntronikk

Disse nye kunnskapene om elektronenes spinn kan legge grunnlaget for nye og spennende måter å sende og manipulere data i elektroniske enheter ved hjelp av spinntronikk, en teknologi som bruker elektroners spinn som basis for informasjonslagring og manipulering.

Spinntronikk var blant annet grunnlaget for utviklingen av magnetisk datalagring. Dette skjedde etter oppdagelsen av GMR-effekten (giant magnetoresistance) i 1988, noe oppdagerne fikk nobelprisen i fysikk for i 2007.

Disse nye kunnskapene om elektronenes spinn kan legge grunnlaget for nye og spennende måter å sende og manipulere data i elektroniske enheter ved hjelp av spinntronikk. Foto: Thinkstock

Disse nye kunnskapene om elektronenes spinn kan legge grunnlaget for nye og spennende måter å sende og manipulere data i elektroniske enheter ved hjelp av spinntronikk. Foto: Thinkstock

– Mye av framgangen innen spinntronikkfeltet kommer fra kunnskaper om sammenhengen mellom hvordan et elektron spinner om sin egen akse, og dens bevegelse gjennom et materiale. Derimot er det fremdeles mye vi ikke vet om dette. Nye kunnskaper må til for at vi fullt ut skal kunne forstå og utnytte disse kreftene, sier Brataas.

Ulike typer spinn

Et elektron kan sies å ha to spinntyper: «opp» eller «ned», basert på om spinnretningen beveger seg med eller mot klokka. Spinnstrømmer er strømmer der elektriske ladninger med spinn «opp» og spinn «ned» beveger seg i motsatt retning slik at det ikke er noen netto forflytning av elektriske ladninger.

Brataas og tidligere samarbeidspartnere viste for mer enn ti år siden at man ved å endre den magnetiske retningen i en ferromagnet, ville kunne skape spinnstrømmer. Disse spinnstrømmene er blitt målt av mange forskere, men bare ved svært avanserte og kompliserte teknikker fordi det ikke direkte er noen elektrisk spenningsendring.

Magnet som strømgenerator

Brataas og hans forskerkolleger i Cambridge har nå vist at det i visse magnetiske materialer kan oppstå et spesielt fenomen: Spinnstrømmer med elektriske ladninger som utligner hverandre omdannes til vanlige elektriske strømmer.

Med andre ord fungerer ferromagnetene som små strøm-generatorer i seg selv, drevet av endringene i magnetiseringsretningen. Jo raskere endringene i magnetiseringsretning, jo høyere frekvens får de genererte elektriske feltene. Strømstyrken og måten den påvirkes av omliggende magnetiske felt, kan brukes til å lese magnetisk informasjon og kanskje på sikt til å skrive magnetisk informasjon.

– Dette fenomenet er en direkte kopling mellom elektrisitet og magnetisme. Det gir muligheter for nye måter å lese og skrive magnetisk informasjon på nanonivå, og nye muligheter til å generere veldig høyfrekvente vekselstrømmer, sier Brataas.