Om helimagnetenes topologi og andre ting vi ikke skjønner
Det kan faktisk finnes gode grunner til å bry seg om virvelstrukturer i helimagneter. La oss prøve å finne dem sammen.
Fysikere ved NTNU oppdaget nylig noe som fikk dem på trykk i svært så høythengende Nature Physics. Oppdagelsen fant sted i samarbeid med forskere fra universiteter i Tyskland, Sveits og Japan.
I helimagneter fant de spesielle domenevegger med magnetiske virvelstrukturer. Disse oppstår på grunn av topologiske defekter.
Så hva i all verden betyr det, og hvorfor bør vi egentlig fnise av begeistring?
Ingen aning. Men la oss forsøke å finne ut av det sammen.
Tilsynelatende perfekte krystallstrukturer kan ha magnetiske strukturer med sin helt egen organisering. Illustrasjon: Colourbox
Dennis Meier er en av NTNUs Onsager Fellows og førsteamanuensis ved Institutt for materialteknologi. Han jobber med fysikk på nanonivå, og allerede høres dette så vanskelig ut at mange vil ha mest lyst til å slutte å lese nå, og heller finne noe annet å gjøre. Men heng med litt, så kanskje vi kan lære noe.
Artikkelen om virvelstrukturene var Meiers tiende artikkel i Natures publikasjoner, så det er åpenbart at han jobber med noe folk som forstår det blir begeistret for. Han var seniorforfatter sammen med Markus Garst ved TU Dresden, men arbeidet bygger i hovedsak på doktorgradsarbeidet til Peggy Schoenherr (eksperiment) og Laura Köhler (teori).
Meier og hans kolleger identifiserte altså tre ulike varianter av magnetiske domenevegger i helimagneten ferrogermanium (FeGe).
Så hva er en helimagnet? Og hva er en domenevegg?
Hva i all verden er en helimagnet?
Magnetisme skapes av én av to ting:
- Elektrisk strøm, som i elektromagneter.
- Spin, som er det magnetiske momentet til elementærpartiklene, delene som et atom består av.
Egentlig er de to sider av samme sak, men det kan du glemme i denne sammenhengen. La oss holde oss til versjon 2, altså spin eller magnetisk moment.
Den magnetismen de fleste av oss tenker på er ferromagnetisme. Denne typen oppstår når de magnetiske momentene til atomene i et materiale i hovedsak peker i samme retning. Da drar de på andre magnetiske objekter.
Men i helimagneter organiserer atomenes magnetiske momenter seg i spiral- eller heliksmønstre istedenfor.
Så hva i all verden er en domenevegg?
Figur 1: I ferromagneter har hvert av domenenes atomer magnetiske momenter som peker i den samme retningen. Illustrasjon: Dennis Meier, NTNU
Ferrogermanium er en blanding av metallet jern og halvmetallet germanium. Stoffet er organisert i en krystallstruktur, lik det vi finner i en diamant, der det samme mønsteret av atomer gjentas.
Men i virkeligheten er ikke stoffet så ensartet som det ser ut som. Krystallen kan være nær perfekt, men den magnetiske strukturen kan samtidig ha sin helt egen organisering.
En tilsynelatende perfekt krystallstruktur i et fast stoff er nemlig delt inn i atskilte områder med sine spesielle, magnetiske egenskaper. Disse magnetiske områdene kalles domener.
I ferromagneter har hvert av disse domenenes atomer magnetiske momenter som peker i den samme retningen, men retningen varierer mellom naboområdene. (Se figur 1.)
I helimagneter finner vi isteden domener med spiralmønstre. (Se figur 2.)
Grensene mellom disse områdene er såkalte domenevegger, og det er disse Meier og hans kolleger studerer.
Figur 2: I helimagneter finner vi spiralmønstrede domener med magnetiske momenter som peker i den samme retningen. Zoom gjerne inn for å se tydeligere. Illustrasjon: Nature Physics
Heldige, liksom
Den internasjonale forskergruppen oppdaget tre nye klasser av disse domeneveggene i helimagneter. Mønstrene oppstår på grunn av såkalt topologiske forvridninger og skjevheter.
– Vi var heldige som fant dem, sier Meier, kanskje noe i overkant beskjedent.
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.
– Eh. Heldige?
– Ja. Men du må være i stand til å skjønne når du er heldig, flirer han.
Disse er altså helt nye for vitenskapen. Så hvordan er det egentlig å være helt verdensledende innenfor et forskningsfelt?
– Det er enkelt, fordi du må ikke tenke så mye – alt hva vi enn gjør innenfor området vil være noe nytt, slår Meier fast. Flirende igjen.
Han berømmer samarbeidet med kolleger, både i Tyskland, Sveits, Japan og Norge. Her har eksperimentelle fysikere og rene teoretikere jobbet tett sammen.
Så hvorfor skal vi bry oss?
Hvorfor vi skal bry oss
Domeneveggene kan ha eksotiske magnetiske egenskaper som områdene ikke viser. Disse vekselvirker for eksempel sterkere med elektrisk strøm og kan brukes til dataoverføring og lagring i fremtiden. Kanskje.
Hva betyr det? Vel.
Kanskje kan dette en gang bli et alternativ til dagens datamaskiner, som snur magnetisme og omdanner dem til 0 og 1. Det er langt mer energikrevende enn å bevege topologiske magnetiske strukturer i såkalte «racetrack-memories».
Kanskje kan oppdagelsen bidra til at vi får mye raskere datamaskiner. Eller kanskje ikke. Illustrasjon: Colourbox
– Det neste vi skal gjøre er å forsøke å påvirke disse nye domeneveggene, sier førsteamanuensis Meier.
De skal altså forsøke å styre disse veggene med elektrisk strøm. Få kontroll på dem. Det skal skje i samarbeid med kolleger fra Institutt for materialteknologi og det nye Center of Excellence QuSpin (Center for Quantum Spintronics) ved NTNU.
Alt dette kan en dag lede til raskere datamaskiner som bruker minimalt med elektrisitet. Kanskje. Uansett er det interessant. Og vakkert.
For mønstrene gjenspeiler lignende mønstre som du kan finne i flytende krystaller. Er ikke det fascinerende? Molekylene i flytende krystaller er kanskje bittesmå, men de er gigantiske i forhold til nanostrukturene Meier og kollegene studerer. Mønstre i naturen gjentar seg i ulike skalaer.
Oppdagelsen er samtidig et alternativ til forskning på skyrmioner, som også kanskje en dag kan brukes til å overføre informasjon raskt og nesten uten elektrisitet.
Hva skyrmioner er? Nei, det får du finne i en annen artikkel. Jeg aner ikke, og nå har vi lært nok for i dag.
Kilde:
Topological domain walls in helimagnets. P. Schoenherr, J. Müller, L. Köhler, A. Rosch, N. Kanazawa, Y. Tokura, M. Garst & D. Meier, Nature Physics, doi:10.1038/s41567-018-0056-5 (2018)
