Ultrasnabb dynamik i funktionella material

Olof ”Charlie” Karis vid molekyl- och kondenserade materiens fysik, tilldelades i november 2016 3,3 miljoner i projektmedel för perioden 2016-2020 från Vetenskapsrådets stora utlysning i naturvetenskap och teknikvetenskap för projektet ”Ultrasnabb dynamik i funktionella material”.

Projektbeskrivning

Multifunktionella material för morgondagens elektronik
När elektronerna rör sig runt atomerna i ett material kan elektronens mikroskopiska magnetiska moment, spinnet, växelverka med spinnet hos andra elektroner. På så sätt kan många mikroskopiska spinn skapa en makroskopiskt magnetisering i ett material. Moderna applikationerna av magnetism och magnetiska material är mycket viktiga för såväl industrialisering (t.ex. generatorer som ger elektricitet) och informationsåldern då datorns långtidsminne består av små magnetiska domäner på datorns hårddisk som läses av känsliga magnetiska sensorer. Just dessa sensorer baseras på att en elektrisk ström kommer att erfara olika stort motstånd (resistans) då den passerar genom magnetiska skikt beroende på den relativa riktningen hos magnetismen i skikten.

Upptäckarna av detta fenomen, som benämns gigantisk magnetoresistans (GMR), Albert Fert och Peter Grünberg, belönades med 2007 års Nobelpris i fysik. Mindre än ett decennium efter upptäckten användes sensorer som arbetande efter denna princip som läshuvud i nya hårddiskar. Upptäckten är därför helt avgörande för den helt fantastiska ökningen i lagringskapacitet vi erfarit. Upptäckten har också definierat ett helt nytt forskningsfält syftande till att använda både elektronens laddning och spinn för nya tekniska användningsområden inom t.ex. elektronik. Detta forskningsområde benämns spinntronik (efter spinn-elektronik) och attraherar stort intresse från såväl industri som akademi. För att kunna upprätthålla utvecklingen av dagens teknologi behövs nya idéer för att kringgå de problem som ständig miniatyrisering och krav på allt snabbare beräkningstakt i processorerna medför. Idag diskuteras möjligheten att kombinera laddning och spinn som informationsbärare i en och samma del av en krets.

Minnen, s.k. MRAM, som fungerar enligt en sådan princip finns att köpa, men kapaciteten är fortfarande begränsad i relation till vad som erbjuds hos hårddiskar och moderna s.k. flash-minnen. Det finns dock anledning att tro att om man kunde kombinera flera fysikaliska egenskaper, så öppnas nya möjligheter för att realisera kretselektronik med nya arbetsprinciper. Ett exempel skulle kunna vara att vi kunde ersätta datorernas korttidsminne (RAM minne) och långtidsminne (magnetiska diskar) med ett enda minne som förenar egenskaperna hos dem. Efterhand som behandlingen av ettor och nollor sker allt snabbare i den digitala elektroniken har också intresset ökat för att kunna studera snabba förändringar i ett magnetiskt system. Detta faktum är till del drivet av behov kopplade till den teknologiska utvecklingens krav, men möjligheterna att utföra studier av magnetiseringsdynamik på mycket snabba tidsskalor har givit oss möjlighet att bedriva forskning som snarare adresserar mycket grundläggande frågeställningar inom magnetism. Vi kan idag följa hur magnetiseringen i ett material förändras på tidsskalor som understiger en tusendels miljarddels sekund (snabbare förlopp en pikosekund) genom tidsupplösta mätningar med laser-baserade ljuskällor och synktronljuskällor.

Dessa studier kommer att ge oss en grundläggande förståelse för hur magnetiseringen hos ett material förändras efter en mycket kort, men intensiv, störning. Vår forskning kommer att ge oss en bild av hur de enskilda magnetiska momenten som bygger upp magnetiseringen i provet förändras på dessa mycket korta tidsskalor. En sådan förståelse kan på sikt också ge oss nya insikter om grundläggande begränsningar på hur snabbt vi kan förändra tillståndet hos ett magnetiskt system, vilket är en fundamental gräns för hur snabbt vi kan utnyttja förändringar i det magnetiska tillståndet för tillämpningar inom informationsteknologi.