Külmkapimagnetid asendavad tulevikuarvutite mälu?
Külmkapimagnetid ning enamik teisi magneteid, millega me igapäevaelus kokku puutume, on valmistatud keraamiliselt sulamist BaFe12O19. Igal aastal toodetakse materjali umbes 830 000 tonni. Vaatamata sellele, et need täiesti tavalised tunduvad, on seda tüüpi magnetid tegelikult üpris ebaharilikud.
Nimelt kuuluvad need haruldasse materjalideklassi, mille magnetismi saab kontrollida elektrivoolu abil ning ka vastupidiselt. See omakorda pakub uut viisi magnetväljade kontrollimiseks infotalletamiseks. Ka märksa kõrgtehnoloogilisemalt, kui lihtsalt märkepabereid magnetite abil külmkapi külge kinnitades.
Kahjuks ilmnevad enamike seda tüüpi materjalide kasulikud omadused ainult madalatel temperatuuridel, mistõttu on need olnud seni ainult füüsikute huviorbiidis.Tsuyoshi Kimura koos kolleegidega Osaka ülikoolist on nüüd leidnud aga viisi selle muutmiseks.
Teadlasterühm avastas külmkapimagnetitele suhteliselt lähedase materjali Sr3Co2Fe24O41, kus magnetiliste ja elektriliste omaduste vahelised paaris-vastastikmõjud ilmnevad juba toatemperatuuridel. “See näitab, et selliseid magneteid saab kasutada ka teisteks praktilisteks rakendusteks,” ütleb Kimura.
Sellel ei tundu aga olevat otsest pistmist arvutimäluga. Arvutid ei ole vahepeal nii hajameelseks muutunud, et vajaksid informatsiooni meelespidamiseks külmkapikirjade abi. Kuid arvutite kõvaketastele salvestatud info paikneb väikestes magnetilises regioonides. Ainult nende magnetiliste signaalide stabiilsus kindlustab selle, et andmed püsivad muutumatuna. Samal ajal tähendab magnetsignaalide kasutamine seda, et kõvakettale kirjutamiseks ning selle lugemiseks kasutatav tehnika on keerukas.
Teisest küljest on aga ainult elektroonilisi nähtusi kasutav arvutimälu tunduvalt lihtsam. Kuid kõik arvutimälus olevad andmed lähevad kaotsi, kui arvuti välja lülitada. Arvutimälu tuleb arvuti uuesti käivitamisel "värskendada", mis võtab aga aega.
Seega töötavad teadlased mälu säilitavate arvutikiipide loomise nimel. Siin tulevadki mängu multiferroidmaterjalid (ingl multiferroics) nagu Sr3Co2Fe24O41. Multiferroid materjalid on haruldane materjalide klass, millel on nii mangetilised kui ka ferroelektrilised omadused.
Viimane tähendab, et positiivsed ja negatiivsed ioonid paiknevad kristallis teineteise suhtes nihkes. Selline positiivsete ja negatiivsete laengute eraldi olemine tekitab materjalides elektrivälja ehk püsiva elektrilise polarisatsiooni. Nimi tulenebki faktist, et sellistel sulamitel on rohkem kui üks "ferroidne" omadus·: ferromagnetism ja ferroelektrilisus.
Tähtis on aga, et multiferroidides on mõlemad omadused teineteisega seotud. See tähendab, et magnetilisi omadusi saab kontrollida elektriväljade abil ning vastupidi. Näiteks saab elektrivälja kasutades talletada alaliselt magnetilist informatsiooni ning kasutada materjali elektrilisi omadusi sama info lugemiseks. Probleem on aga, et teatakse vaid väheseid multiferroidseid sulameid, eriti selliseid, mis toatemperatuuril efektiivselt töötavad.
Erandiks on palju uuritud toatemperatuuril multiferroidina käituv BiFeO3. Kuid selles materjalis on magnetismi ja ferroelektrilisuse koos eksisteerimine pelgalt kokkusattumus. Üks ei põhjusta teist. “Ristpaarsus efektid magnetismi ja ferroelektrilisuse vahel on BiFeO3-s praktiliselt olematud,” ütleb Rutgersi ülikoolis multiferroidide alal töötav füüsik Sang-Wook Cheong,
Tunduvalt tugevam paarsus esineb magnetiliselt tekitatud multiferroidides, mis avastati seitse aastat tagasi Tokyo ülikoolis.
Sellistes magnetiliselt indutseeritud multiferroidides põhjustab kristallvõres ferroelektrilisust atomaarmagnetite vedrukujuline paigutus. Ferroelektrilisus saab seal eksisteerida ainult magnetismi tõttu, mis muudab multiferroidse paarsuse äärmiselt tugevaks.
Kuid kuna sellised vedrukujulised struktuurid ei ole tavatingimustes eriti stabiilsed, töötavad enamik uutest multiferroididest vaid madalatel temperatuuridel. Samuti on nende ferroelektriline polarisatsioon tunduvalt väiksem kui näiteks BiFeO3-l.
See muudabki Kimura leitud toatemperatuuril magnetiliselt tekitatud multiferroidid nii oluliseks. “See avastus toob need paeluvad multiferroidid reaalsetele tehnoloogilistele rakendustele lähemale,” ütleb Cheong. “See tähendab, et me saame kasutada palju uuritud odavaid magneteid potentsiaalsete toatemperatuuril töötavate multiferroididena.”
Siiski on vaja lahendada mitmed probleemid, enne kui avastust saaks konkreetses rakendustes kasutada. Seni on Kimura koos oma kolleegidega demonstreerinud vaid elekrilise polarisatsiooni kontrollimist magnetvälja abil. Ent ei ole veel leitud lahendust vastupidise protsessi esile kutsumiseks. “Enamikes tehnoloogiliaseadmetes on elektriväljade abil magnetismi kontrollimine praktilisem.”
Lisaks on alusuuringuid tehtud seni kasutades uurimisobjektina vaid suuri materjali tükke. Kimura nõustub, et nendest magnetitest kilede valmistamine on tähtsam. “Me vajame kohe kindlasti õhukestest kiledest näidiseid, enne kui me hakkame mõtlema reaalsete rakenduste peale.”
Seega tundub vähemalt hetkel, et multiferroidid jäävad pigem külmikute külge kui arvutite sisse, kuid aja jooksul võib see muutuda.
