Forskning

Ny materialkombination ger snabbare datorer och smartphones

2016-06-17

Forskare vid Uppsala universitet har upptäckt en ny materialkombination som banar väg för snabbare och effektivare lagring i elektroniska enheter, såsom datorer och smarta telefoner. Det forskarna upptäckt är att den så kallade magnetiska dämpningen kan bli försvinnande liten, vilket eliminerar energiförluster i dynamiken hos magnetiska material.

Materialet som identifierats är en binär metallisk ferromagnetisk legering av kobolt och järn, där dämpningen närmar sig storleksordningen 10-4. En så låg dämpning har tidigare bara observerats för halvmetaller eller magnetiska isolatorer, som till exempel vissa järnoxider.

Magnetiska material har visat sig vara mycket effektiva för lagring och överföring av information och var naturliga efterföljare till hålkortet, som började användas redan i början av 1700-talet. Den efterföljande utvecklingen, av bland annat magnetband och hårddiskar, har möjliggjort en explosion inom informationsteknologin och idag lagras ungefär 70 procent av all information i magnetiska medium.

Hittills har man lyckats skapa mikrometerstora magnetiska lagringsenheter och åstadkommit överföringshastigheter av storleksordningen nanosekunder för att kunna möta det lagringsbehov som finns idag med en informationsöverföring av storleksordningen 100 petabyte (1000000000000000 bytes) per dag. För att även fortsättningsvis kunna möta ett utvecklat lagringsbehov behövs än mindre och snabbare enheter, som antingen kräver en ny teknologi av lagring och/eller att man upptäcker nya magnetiska material. 

Uppsalaforskarna har upptäckt ett sådant nytt magnetiskt material i järn-kobolt-legeringen, och att man med hjälp av dämpning kan åstadkomma en så energieffektiv informationsöverföring inne i materialet som möjligt.

Dämpningen i ett magnetiskt material kan jämföras med friktionen hos en hockeypuck som glider längs isen, och som stannar efter ett tag på grund av motståndet mot underlaget. Dämpningsparametern i magnetiska material motsvarar här friktionskoefficienten mellan hockeypucken och isen.

Fenomenet med låg dämpning i järn-kobolt kan förklaras med hjälp av en unik egenskap hos den inre elektroniska strukturen, där dämpningen är proportionell mot antalet elektroniska tillstånd vid den högsta ockuperade energinivån.

Den nya upptäckten om låg dämpning i järn-kobolt-legeringen, tillsammans med att materialet är lätt att framställa, är magnetiskt även vid rumstemperatur, och att både järn och kobolt är vanligt förekommande grundämnen, kan leda till att detta material kan bli ett standardiserat referensmaterial att jämföra med i jakten på nya och ännu bättre legeringar.

Samarbetet mellan experiment och teori är mycket framgångsrikt inom detta forskningsområde, och den publicerade studien visar vikten av samarbete för att möta de utmaningar nya teknologier ställer på materialen.

Studien ger en ny och fundamental förståelse av dämpningsmekanismer vilket möjliggör teoretiska förutsägelser av nya än mer energieffektiva material, både bland metaller och halvmetaller, där dämpningen kan vara ännu lägre än hos den nu identifierade järn-kobolt-legeringen.

Bakom studien, som presenterats i Nature Physics, står bland annat Danny Thonig, Olle Eriksson och Olof Karis vid institutionen för fysik och astronomi på Uppsala universitet. Forskningen bygger på ett internationellt samarbete, som involverar både teoretiska beräkningar och experimentella studier.

Martin A. W. Schoen et al. Ultra-low magnetic damping of a metallic ferromagnet