Elektroners spinn i magnetiska material högintressant för framtidens teknik

Magnetiska förlopp kan ske över många miljoner år då det rör sig om förändringar i planeternas magnetfält, men kan också handla om ultrasnabba förlopp som är en miljon snabbare än beräkningarna i dagens datorer. Varje magnetiskt material kan ses som en samling atomstora magneter som linjerar sig i bestämda riktningar. Varför de ordnar sig på detta sätt har man god förståelse av, men vad som händer när de tvingas ur jämvikt, t.ex. för att läggas längs en annan riktning, är mer ett oskrivet blad.

För det går faktiskt att ändra magnetiseringsriktningen i magnetiska material. Forskargruppen på Ångströmlaboratoriet, Uppsala universitet, har redan en god idé om vad som händer om man vrider de välordnade atomerna ur jämvikt. Utifrån teoretiska modeller och datorsimuleringar verkar flera möjligheter öppna sig för tillämpningar där magnetiska egenskaper ger snabbare och energisnålare teknologi.

- Vi har kommit en bit på väg eftersom vi arbetat med detta på teoretisk nivå några år. Nu bygger vi upp en experimentell miljö där vi hoppas kunna verifiera våra teorier, säger Olle Eriksson, professor i teoretisk magnetism och huvudansvarig för projektet.

- Teorin förutspår flera intressanta fenomen, speciellt när vi studerar magneter i nanoområdet. Genom experiment vi nu kommer att kunna göra, kan man säga att vi sträcker ut en hand mot tekniska tillämpningar av vår kunskap.

Under skrivprocessen i en dators hårddisk styrs magnetiseringsriktningen i en informationsbit, för att skapa önskvärd sekvens av ettor och nollor. Att ändra från en ’etta’ till en ’nolla’ betyder att man ändrar riktningarna på elektronernas spinn i informationsbiten, vilket inte är olikt att tvinga en kompassnål att vända på sig med en yttre magnet. Datorns ”snabbhet” begränsas av den hastighet med vilken information kan skrivas till, och läsas från, den magnetiska hårddisken. För morgondagens applikationer av magnetism vill man kombinera elektronens egenskaper laddning och spinn för att skapa ny funktionalitet. Elektronik baserad på denna princip skulle kunna ersätta dagens teknik för mikrovågs-generering och -detektion i mobiltelefoner och trådlösa nät.

- Att kunna kontrollera spinndynamiken ger nya och oanade möjligheter. Men då krävs en grundläggande förståelse för det dynamiska uppträdandet hos magnetiska material på mycket korta tidsskalor, fortsätter Olle Eriksson.

Forskarna kommer att studera hur korta pulser av ljus eller magnetiska fält kan användas för att kontrollera och manipulera magnetiseringen. De processer som inträffar när ultrasnabba pulser växelverkar med en magnet är till stor del outforskade.

Projektet är till största delen förlagt till Ångströmlaboratoriet, men även KTH och Göteborgs universitet är med. De dynamiska aspekterna av magnetiska material intresserar många forskargrupper runt om i världen och Ångströmlaboratoriet har en lång tradition av teoretisk och experimentell forskning om dessa material.

- Vi har en fin bas för teoribildning i Sverige, där infrastruktur med superdatorer för att göra avancerade beräkningar är mycket väl uppbyggd. Denna infrastruktur är mycket viktig för oss och andra teoretiker, och även den är delfinansierad av Wallenbergstiftelsen, säger Olle Eriksson.

Läs mer om Olle Erikssons forskning