Multiferroics: Ny tid – nye materialer

For de fleste er ordet 'civilisation' synonymt med oplysning, kultur og udvikling. Ordet fremkalder billeder af statelige bygninger eller avancerede sociale systemer.

Men i min optik er civilisationen ikke mere end en målestok for, hvor langt vi er nået inden for materialevidenskaben: Fra stenalderen, videre til bronzealderen og hele vejen frem til jernalderen er ethvert stort fremskridt i den menneskelige civilisation drevet af en grundlæggende materialeudvikling.

Denne sammenhæng er så stærk, at vi navngiver historiske perioder efter det materiale, der dominerede mest.

\ Læs mere

Fremtiden er lys for optiske computere

Fra klodsede stationære computere til strømlinjede smartphones

Vi lever i 'Silicon Age' (Silicium-tidsalderen', red.), hvor siliciumtransistoren er central for en stor del af den mikroelektronik, der muliggør vores moderne livsstil.

I løbet af de seneste årtier har vi forbedret siliciumenhedernes egenskaber.

Vi har transformeret klodsede stationære computere til strømlinede smartphones, og vi tager den eksponentielle kapabilitetstigning og det tilsvarende fald i størrelse og pris for givet, hvilket er illustreret af Moores lov.

Men siliciumrevolutionen slutter formentlig snart, i takt med at vi støder på grundlæggende fysiske begrænsninger fastlagt af størrelsen af ​​de enkelte atomer, der udgør siliciummaterialet.

Og det betyder, at den hidtidige udvikling af endnu hurtigere, endnu lettere og endnu mindre produkter med stadig større funktionalitet ikke kan fortsætte inden for vores eksisterende rammer.

Selv om det ser ud, som om vores elektroniske enheder allerede er kompakte og små nok, er denne flaskehals i realiteten et dybtliggende samfundsproblem.

Det verdensomspændende brug af mikroelektronik ekspanderer så hurtigt, at mere end halvdelen af ​​verdens energi ifølge adskillige projektioner vil blive slugt af informationsteknologier inden for et par årtier.

Det er ikke holdbart i længden.

For at opretholde og forbedre den globale levestandard skal vi videre og væk fra 'Silicon Age'. Og derfor har vi brug for et nyt materiale.

Loading...

Udviklingen af nye materialer

For tyve år siden arbejdede jeg som ung postdoc-forsker med ferromagnetiske materialer.

I ferromagnetiske stoffer virker hvert atom som en lille magnetnål, der påvirker hinanden, og under visse forhold vil de alle pege i samme retning.

I min forskergruppe specialiserede vi os i ferroelektriske materialer, som er materialer med ensrettede elektriske dipoler skabt af positive og negative ladninger.

Min plan var at bruge de teknikker, som min værtsforskergruppe havde udviklet, til at studere ferroelektriske materialer og anvende dem i studiet af ferromagneter.

Ligheder i den underliggende fysik

'Ferro'-delen i både ferromagnetisk og ferroelektrisk afspejler ligheder i den underliggende fysik de to materialetyper imellem.

Jeg bemærkede, at de materialer, jeg arbejdede med, adskilte sig fra mine kollegers.

For eksempel er de fleste ferromagnetiske materialer sorte metaller som eksempelvis jern. De fleste ferroelektriske materialer er derimod gennemsigtige keramiske materialer.

»Hvorfor er der så få magnetiske ferroelektriske materialer?« var et spørgsmål, der fascinerede mig så meget, at min forskning fokuserede på at finde svaret.

Dét er der faktisk en meget enkel årsag til, opdagede jeg: Atomerne i de kemiske forbindelser, der bliver brugt til at producere magnestiske dipoler, har en anden kemi end atomerne brugt til at producere elektriske dipoler.

Men der er ikke noget, der grundlæggende forhindrer en kombination af de to.

Bevæbnet med denne forståelse kunne jeg og mine samarbejdspartnere udvikle 'multiferroics'; materialer, som kan være både magnetiske og elektrisk polariserende.

Kan bearbejde og lagre store datamængder

Silicium og magnestiske materialer er komplementerende i de nuværende teknologier.

Silicium bruges til at bearbejde information, og de magnetiske materialer bruges til at lagre informationer; hver bit er repræsenteret ved et lille område, kaldet et domæne, der er magnetiseret i én retning, når det opbevarer et '0', og i den modsatte retning, når det gemmer på et '1'.

De magnetiske materialer er velegnede, fordi hver bit er stabil, lille og let tilgængelig.

Men det har sin pris. Der skal klodsede komponenter og en masse energi til for at skabe det magnetfelt, der er nødvendig for at styre magnetismen.

Forestil dig de muligheder, der åbner sig op gennem et materiale, der både er magnetisk og ferroelektrisk.

Baner vejen for nyt teknologisk design

Multiferroic-materialer har alle de samme fordele som magnestiske materialer, og i tillæg til deres magnetisme kan de desuden styres ved hjælp af elektriske felter.

I forhold til magnetiske felter er elektriske felter effektive: De kan skabes ud af bittesmå komponenter og bruger forsvindende lidt energi.

Vores nye multiferroic-materialer baner vejen for helt nye paradigmer samt nye måder at designe teknologi på.

Så hvad står i vejen for, at vi kan træde ind i 'multiferroics-tidsalderen'?

• Vi skal udvikle materialer, der ikke alene er magnetisk og elektrisk polariserende, men hvor dipolerne er stabile ved stuetemperaturer; selv hvis de meget små.
• Vi skal forstå processen, når vi re-orienterer dipolerne, godt nok til at kunne gøre det med meget små elektriske felter.
• Vi skal sikre os, at der er rigeligt af de nye materialer, at de ikke skader miljøet, og at de er billige og lettilgængelige.

Til gengæld leverer multiferroic-materialer muligheden for at udforske et væld af videnskablige spørgsmål: Lige fra superledere til strukturformationen af det tidlige univers.

Denne artikel er oprindeligt publiceret hos Scientific American. Læs denne artikel på engelsk på vores internationale søstersite ScienceNordic.com. Oversat af Stephanie Lammers-Clark.

\ Læs mere

På jagt efter computerens næste kvantespring

\ Læs mere

Fra skrummel til bærbar: Her er historien om den personlige computer