Lærebøker viser som regel materialer med perfekte krystallstrukturer. Men dette er bare en del av sannheten. Noen materialer kommer svært nær det perfekte, men det vil alltids finnes feil. Disse feilene kan være urenheter eller «stablefeil» i den atomære eller magnetiske strukturen i et materiale. NTNU-forsker sDennis Meier tuderer disse uregelmessighetene og atferden deres på nanonivå. Illustrasjon: Thinkstock

Stablefeil i universet vi kan dra nytte av

Ingenting er perfekt. Heller ikke universets bestanddeler. Men disse småfeilene kan snus til vår fordel.

NYTTIGE FEIL: Fysikk er vakkert. Alt fra de største til de minste delene av universet kan beskrives ved hjelp av fysikk. Og alt henger sammen.

Onsager Fellowship Programme

  • NTNU Onsager Fellowship Programme er utviklet for å rekruttere unge, internasjonalt anerkjente forskere til å styrke universitetets fagmiljøer.
  • Forskere i programmet skal ha minimum tre-fem års erfaring som postdoktor, høy faglig dyktighet og evne til å arbeide selvstendig. Stillingene er midlertidige, med mulighet for fast stilling etter at programmet er gjennomført.
  • NTNU annonserte 12 faste stillinger på åremål i 2015. – Vi fikk i gjennomsnitt 15-20 kvalifiserte søkere til hver stilling. Det var en tøff konkurranse, og nå gleder vi oss til å se disse forskerne blomstre ved NTNU, sier rektor Gunnar Bovim ved NTNU.

Men akkurat som vi mennesker er ufullkomne, er universets bestanddeler ikke uten sine feil. Og akkurat som hos mennesker, kan nettopp disse feilene være attraktive.

– Materialer er aldri perfekte, konstaterer Dennis Meier, førsteamanuensis ved Institutt for materialteknologi ved NTNU.

Meier studerer småfeil i ellers perfekt ordnede materialer for å forstå deres unike egenskaper. Dette er tilfeldigvis også ekstremt allsidig og potensielt nyttig.

Han er tilknyttet NTNU gjennom Onsager Fellowship-programmet. Meier ble dessuten nylig tildelt et FRIPRO Unge forskertalenter-stipend fra Forskningsrådet, og er tildelt Gustav-Hertz-Preis av Deutsche Physikalische Gesellschaft for 2017.

Nyttige feil

Lærebøker viser som regel materialer med perfekte krystallstrukturer. Men dette er bare en del av sannheten. Noen materialer kommer svært nær det perfekte, men det vil alltids finnes feil. Disse feilene kan være urenheter eller «stablefeil» i den atomære eller magnetiske strukturen i et materiale. Meier studerer disse uregelmessighetene og atferden deres på nanonivå.

MFM-bilde som viser ulike feil i helimagneten GeFe. Illustrasjon: Creative Commons/Nature Communications

MFM-bilde som viser ulike feil i helimagneten GeFe. Illustrasjon: Creative Commons/Nature Communications

– Vi kan dra nytte av disse feilene. De har potensial til for eksempel å overføre informasjon i ny teknologi, sier Meier, noe motvillig.

Han vil ikke si at forskningen hans er en nøkkel til superraske datamaskiner som knapt bruker strøm. Men arbeidet hans antyder nyskapende muligheter for framtida. For enkelte er dette trolig en interessant bivirkning av Meiers arbeid for å få en større innsikt i materialets struktur.

– Grunnleggende forskning er svært viktig og fascinerende. Mange teknologiske revolusjoner utviklet seg ut av ren vitenskapelig nysgjerrighet – dette er noe vi ikke skal glemme. For meg ligger det en betydelig verdi i å fylle ut de blanke sidene i en bok. Kunnskap er ikke noe vi tilegner oss for å få mer penger. Vi snakker om et sofistikert puslespill, sier Meier.

Kunnskap er ikke noe vi tilegner oss for å få mer penger. Vi snakker om et sofistikert puslespill. Dennis Meier

Materialene han undersøker forener det beste fra to verdener. De har både elektriske og magnetiske egenskaper.

Krystallstrukturer vil alltid ha feil, selv de som tilsynelatende er perfekte.  Illustrasjon: physik.uni-regensburg.de

Krystallstrukturer vil alltid ha feil, selv de som tilsynelatende er perfekte. Illustrasjon: physik.uni-regensburg.de

Å studere hvordan disse egenskapene påvirker hverandre kan kanskje, eller kanskje ikke, en dag hjelpe oss til å utvikle nye typer nanoteknologi. Men uansett hva som skjer med resultatene, vil denne forskningen bringe oss et skritt videre mot større innsikt. For Meier ligger den sanne verdien der.

Avanserte teknikker

For å observere materialene har han og kollegene hans brukt flere av de mest avanserte bildeteknikkene, som scanning probe mikroskopi (SPM) og ulike elektronmikroskopimetoder. Men de bruker også andre teknikker.

Meier har utviklet nye optikk-baserte bildemetoder, og har vært involvert i å kontrollere elektriske og magnetiske egenskaper i multifunksjonelle materialer ved hjelp av en laser. Noen av disse metodene var umulige å bruke inntil for få år siden.

Introduserte urenheter

Én fremgangsmåte for å undersøke og gjøre bruk av feil på nanonivå er å tilføre enda flere urenheter med vilje. Det er også sånn materialer som halvledere får sine spesielle egenskaper.

Noen av de mest interessante observasjonene som Meier har gjort er i overgangene mellom perfekt ordnede deler av materialet. Disse grenseområdene kan ha helt andre fysiske egenskaper enn det omkringliggende materialet.

Ledningsevnen til visse grenseområder i erbiummanganat, såkalte domenevegger, øker dramatisk ved tilsetning av bare små mengder kalsium. Illustrasjon: Advanced Electronic Materials, http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aelm.201500195/abstract

Ledningsevnen til visse grenseområder i erbiummanganat, såkalte domenevegger, øker dramatisk ved tilsetning av bare små mengder kalsium. Illustrasjon: Advanced Electronic Materials, http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aelm.201500195/abstract

I en av studiene introduserte Meier kalsium til erbiummanganat (ErMnO3). Ledningsevnen til visse grenseområder i ErMnO3, såkalte domenevegger, øker dramatisk ved tilsetning av bare små mengder kalsium, kanskje bare en eller to prosent. Ledningsevnen økte mer dess større mengde urenheter de tilsatte materialet.

Men hvor stor mengde urenheter kan du introdusere?

– Kanskje 10-15 prosent? sier Meier, men dette må undersøkes videre.

Antiferromagnetisme

Sist sommer bidro Meier til tre artikler i Nature-tidsskrifter.

I den siste artikkelen så forskerne på ørsmå bevegelser i magnetiske defekter i jerngermanium (FeGe). Gjennom disse bevegelsene organiserer materialet sin magnetiske struktur på atomært nivå.

Få av oss uten fysikkbakgrunn forstår hva dette betyr. Her er en forklaring:

FeGe er et såkalt «heli-magnetisk» materiale. Helimagnetisme er resultat av et samspill mellom ferromagnetisme, som er den form for magnetisme de fleste av oss har erfaring med, og krefter som prøver å snu om på den magnetiske ordenen.

Antiferromagnetisme

  • I antiferromagnetiske materialer er det magnetiske momentet til atomer og molekyler rettet systematisk i ulike retninger, slik at de til sist nuller hverandre ut.
  • Antiferromagnetiske materialer har en ordnet fordeling av de magnetiske momentene. En del paramagnetiske materialer vil ved avkjøling under en viss (kritisk) temperatur, Néel-temperaturen, TN, gå fra en tilstand hvor de magnetiske momenter er uordnet i rommet til å være antiparallelle, i gjennomsnitt slik at det ikke blir noen netto magnetisering.

Kilde: snl.no

Som en konsekvens av disse motstridende kreftene oppstår en spirallignende magnetisk orden. Samlet sett nulles de magnetiske egenskapene ut, og derfor refererer vi til denne typen magnetisk orden som antiferromagnetisme. Antiferromagnetiske materialer er altså på sett og vis magnetiske, men likevel ikke. (Se faktaboks.)

Magnetisme er avhengig av elektronspinn. Du kan tenke på spinn som om elektronene i et materiale roterer rundt seg selv. De kan spinne i forskjellige retninger. I magnetiske materialer spinner elektronene stort sett i samme retning.

Som Doctor Who sier det i episoden The Impossible Astronaut: «Det er ikke sånn i det hele tatt, men hvis det hjelper»…

«Det er ikke sånn i det hele tatt, men hvis det hjelper»… Doctor Who, The Impossible Astronaut

I antiferromagnetiske materialer arrangeres elektronenes spinn vanligvis i et mønster som gjør at de magnetiske egenskapene nulles ut. Illustrasjon: Wikimedia Commons

I antiferromagnetiske materialer arrangeres elektronenes spinn vanligvis i et mønster som gjør at de magnetiske egenskapene nulles ut. Illustrasjon: Wikimedia Commons

I antiferromagnetiske materialer arrangeres altså elektronenes spinn vanligvis i et mønster som gjør at de magnetiske egenskapene nulles ut. (Se illustrasjon.) Dette er et veldig generelt fenomen som forekommer i mange materialer. Ettersom den samlede effekten er null, er det svært vanskelig å få tilgang til de relaterte egenskapene.

Mange forskere prøver å påvirke spinn i ferromagnetiske materialer ved hjelp av lys. Meier og hans kolleger klarte å gjøre det i en antiferromagnet. De kunne skrive og slette spesielle deler av materialet ved å bruke lyspulser av forskjellig farge.

Det er her det nyttige trenger seg på som en litt irriterende gjest som nekter å gå.

Av og på

Dataoverføring og lagring består til sist av et komplisert system av 0 og 1, eller «av» og «på» hvis du vil. Hullkort ble brukt for mange år siden. I dag bruker vi magnetisme til å gjøre den samme jobben. Vanligvis er magnetisk moment «av» eller «på». Kontrollen av dette krever store mengder energi.

Hvis vi isteden kan kontrollere elektronenes spinn ved å bruke elektrisk spenning eller andre typer magnetisme, som antiferromagnetisme, kan dette gi andre former for kontroll eller andre typer «av» eller «på». Det kan da lede frem til datamaskiner som knapt bruker noe strøm. Kanskje.

Dette er ikke noe som Meier snakker for mye om. Forskere innenfor hans felt er interessert i teknologiske anvendelser og å skape neste-generasjons enheter, men arbeidet innebærer også grunnleggende forskning. Det betyr at vi nok må vente en stund før vi kan kjøpe denne typen teknologi i en databutikk.

Men i mellomtiden kan du nyte skjønnheten i det ufullkomne.

Kilder:

Local Dynamics of Topological magnetic DEFECTS in the itinerant heli magnet FeGe, A. Dussaux, P. Schoenherr, K. Koumpouras, J. Chico, K. Chang, L. Lorenzelli, N. Kanazawa, Y. Tokura, M. Garst, A. Bergman, CL Degen and D. Meier, Nature Comm. 12430, (2016)

Reversible optical switching of antiferromagnetism in TbMnO3, S. Manz, M. Matsubara, Th. Lottermoser, J. Büchi, A. Iyama, T. Kimura, D. Meier, and M. Fiebig, Nature Photonics, doi: 10.10.1038 / nphoton.2016.146 (2016)

The evolution of multiferroics, M. Fiebig, Th. Lottermoser, D. Meier, and M. Trassin, Nature Reviews Review Materials, 1, 16046 (2016)