Ein Forschungsteam der Florida State University hat kürzlich ein brandneues Kristallmaterial synthetisiert. Seine inneren Atomspins sind nicht mehr sauber angeordnet wie bei herkömmlichen Magneten, sondern bilden eine sich regelmäßig wiederholende wirbelartige „Spin-Textur“. Es weist ein magnetisches Verhalten auf, das sich völlig von herkömmlichen magnetischen Materialien unterscheidet. Man geht davon aus, dass es die Datenspeicherung mit hoher Dichte, elektronische Geräte mit geringem Energieverbrauch und die zukünftige Quanteninformationstechnologie unterstützen wird.
Die Forscher verwendeten eine ausgeklügelte Strategie des „Strukturwettbewerbs“: Sie mischten zwei Verbindungen mit ähnlicher chemischer Zusammensetzung, aber unterschiedlichen Kristallsymmetrien – eine bestehend aus Mangan, Kobalt und Germanium und die andere aus Mangan, Kobalt und Arsen, die Nachbarn im Periodensystem sind. Die beiden Kristallstrukturen können an der Verbindungsstelle der Komponenten nicht gleichzeitig vollständig stabil bleiben, was zu einer sogenannten „Strukturfrustration“ führt. Diese Instabilität wird auf mikroskopischer Ebene in magnetische „Frustration“ „übersetzt“, was die Atomspins dazu zwingt, sich zu verzerren und sich schließlich spontan in periodischen Wirbelmustern im Kristall zu organisieren.
Bei herkömmlichen Magneten zeigen viele Atomspins sauber in die gleiche Richtung wie kleine Pfeile oder in einer einfachen antiparallelen Anordnung und erzeugen so den bekannten makroskopischen Magnetismus, der in Geräten wie Computerfestplatten und Smartphones verwendet wird. In den neuen Materialien, die das wissenschaftliche Forschungsteam in dieser Arbeit entdeckt hat, reihen sich die Spins nicht mehr einfach aneinander, sondern bilden komplexere ring- und wellenartige Strukturen, die sogenannten „Spin-Texturen“, einschließlich spiralförmiger oder zykloider Konfigurationen ähnlich „Skyrmionen“. Diese Art topologischer Spinstruktur ist ein hochmoderner Forschungsschwerpunkt auf den Gebieten der Festkörperphysik und Materialchemie.
Um diese skyrmionartige magnetische Struktur zu bestimmen, nutzte das Team die Benutzereinrichtung „Splash Neutron Source“ des Oak Ridge National Laboratory des US-Energieministeriums, um präzise Messungen an der Probe auf dem Einkristall-Neutronendiffraktometer TOPAZ durchzuführen, und kombinierte sie mit neu entwickelten Datenverarbeitungs- und maschinellen Lernwerkzeugen, um die komplexe magnetische Struktur mit hoher Zuverlässigkeit zu analysieren. Die Forscher wiesen darauf hin, dass diese Fähigkeit es ihnen nicht nur ermöglicht, seltsame Spintexturen zu „entdecken“, sondern auch dazu überzugehen, diese magnetischen Strukturen bei Bedarf zu „entwerfen und zu optimieren“, was einen neuen Weg für das Materialdesign in der Informations- und Quantentechnologie eröffnet.
Aus Sicht der Anwendungsaussichten gilt diese Art von Material mit einer skyrmionähnlichen Spintextur als vielversprechend für die Entwicklung von Festplatten oder Speichermedien mit höherer Informationsdichte und verbesserter Elektronenübertragungseffizienz. Da die zur Steuerung von Skyrmionen durch Magnetfelder erforderliche Energie äußerst gering ist, wird durch deren Einführung in elektronische oder spintronische Geräte eine deutliche Reduzierung des Energieverbrauchs erwartet. Insbesondere bei großen Supercomputersystemen mit Tausenden oder sogar Zehntausenden von Prozessoren können die Einsparungen bei den Strom- und Kühlkosten äußerst erheblich sein.
Darüber hinaus glauben die Forscher, dass diese auf „struktureller Frustration“ basierende Designidee auch Anhaltspunkte für die Suche nach Materialien liefern könnte, mit denen sich „fehlertolerante“ Qubits bauen lassen. Das sogenannte fehlertolerante Quantencomputing bezieht sich auf die Verwendung von Material und Strukturdesign, um die stabile Speicherung und den Betrieb von Quanteninformationen in realen Umgebungen mit Rauschen und Fehlern zu ermöglichen. Es gilt als „heiliger Gral“ der Quanteninformationsverarbeitung und komplexe Spintexturmaterialien gelten als potenzieller Weg zur Verwirklichung einer solchen Lösung.
Anders als bei der vorherigen Route, die mehr auf „Materialsuche“ beruhte, betont diese Forschung eine Art „chemisches Denken“: Es wird nicht mehr nur nach Kandidaten mit spezifischer Symmetrie in der bekannten Materialbibliothek „gesucht“, sondern ausgehend von der intrinsischen Beziehung zwischen Struktur und Spin wird die Kombination von Inhaltsstoffen und Kristallgerüst aktiv entworfen, um die erwartete magnetische Textur zu induzieren. Das Forschungsteam gab an, dass es hofft, eine Vorhersagefähigkeit aufzubauen – indem es die Kombination von Elementen und Strukturen im Voraus festlegt, kann es mögliche neue Materialien und ihre magnetischen Eigenschaften auf dem Papier ableiten, anstatt sich ausschließlich auf experimentelle Versuche und Irrtümer zu verlassen.
Ein wichtiger zusätzlicher Vorteil dieser Methode besteht darin, dass erwartet wird, dass sie die Auswahl an Rohstoffen, die zur Herstellung skyrmionartiger Spintexturen verwendet werden können, erheblich erweitern wird. Dadurch wird ein Materialsystem mit geringeren Kosten, einfacherem Kristallwachstum und einer robusteren Lieferkette gefunden, das künftigen großtechnischen Technologieanwendungen förderlicher ist. Die entsprechenden Ergebnisse wurden im Journal of the American Chemical Society unter dem Titel „The Emergenz von Skyrmion-ähnlichen Spintexturen in Materialien, die aus struktureller Frustration stammen“ veröffentlicht. Zu den genutzten Forschungseinrichtungen gehören die Versuchsplattform der Florida State University und die Neutronenstreuanlage des Oak Ridge National Laboratory und wurden von der National Science Foundation finanziert.
Zusammengestellt von /ScitechDaily