A spintronika viszonylag fiatal tudomány-, pontosabban iparág, nagyjából az óriás mágneses ellenállás (giant magnetoresistance, GMR) felfedezése óta létezik önálló területként. A neve a spin (perdület) és az elektronika szavakból származik és a részecskék mágneses jellemzőjének a tanulmányozásával és ennek a technológiai felhasználásával foglalkozik. A jelenlegi digitális, információs technológiák leginkább az elektronok töltésének változására építenek, a bitekben kódolt adatok ez alapján felelnek meg nulláknak vagy egyeseknek, de a spintronikai eszközök az elektronok kétféle spinjét veszik számításba az adatok közvetítésénél.

Az óriás mágneses ellenállás 1988-as felfedezéséért 2007-ben Nobel-díjat kapott Peter Grünberg német és Albert Fert francia kutató, akik egymástól függetlenül, de egy időben jutottak ugyanarra az eredményre a laboratóriumaikban, vagyis egyszerre sikerült megfigyelniük, hogy a fémekből álló mágneses nanoszerkezetekben akár a hagyományos fémötvözetekben mértnél sokkal nagyobb lehet a mágneses ellenállás mértéke. A nanoszerkezet egy vékony rétegekből összeállított tömb, aminek a különböző fémekből álló részei között antiferromágneses kapcsolat alakul ki, vagyis kicserélik az elektronjaikat.

Ez a megfigyelés elvezetett ahhoz a memóriatárolási módszerhez, amelyet ma már az összes merevlemez-olvasó fejben használnak és ami, a remények szerint elhozhatja egy sokkal kevesebb energiát igénylő és sokkal nagyobb bitsűrűséget lehetővé tévő technológia létrejöttét.

A merevlemezes tárolók olvasófejében az úgynevezett spinszelepet használják, ez egy olyan szendvicsszerkezet, amelynek az egyik rétege fix mágnesezettségű, a másik réteg mágnesessége külső hatásra változtatható, közepén pedig egy nem mágneses anyag (NM) helyezkedik el. Ezt a struktúrát használják fel a MRAM-okban is (magnetoresistive random-access memory), de ezek elterjedése, a stabilitásuk ellenére (akkor is megtartják az információt, ha nincsenek áram alatt) lassan halad, bár az IBM nagy összegeket fektet a fejlesztésébe és tavaly már nagy előrelépésekről számoltak be az IEEE Nemzetközi Elektronikus Eszközök Találkozóján. A mágneses adattároló eszközökben azonban nem csak az elektronok spinjét lehet kihasználni, hanem a skyrmion kvázirészecskék tulajdonságait is.

A skyrmionok tulajdonképpen nem részecskék, hanem egymásba csomózódó mágneses terek, ahol a mag körül a spinek olyan összekapcsolódó gyűrűket alkotnak, melyeket nagyon nehéz felbontani, ezért az áramlásuk közben stabil állapotban maradnak, nem szóródnak szét.

A szolitonok közé tartoznak, melyeket még az 1830-as években figyelt meg és írt le John Scott Russell mérnök, miközben egy hajó által keltett hullámokat figyelte. A skyrmionok akkor még csak hipotetikus létezését 1961-ben vetette fel Tony Skyrme brit atomfizikus, és azóta már sikerült őket létrehozni és vizsgálatoknak alávetni, de egészen eddig a kutatók kétdimenziós jelenségként értelmezték őket.

Az amerikai Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratórium, a Kalifornia Egyetem, a spanyol Oviedo Egyetem és a brit Durham Egyetem fizikusainak közös kutatása során, melynek eredményeit a Nature Communicationsben publikálták március 10-én, első ízben sikerült bemutatni, hogy a kétdimenziós skyrmionokból háromdimenziós hopfionok születnek. A hopfionok, melyek a német matematikusról, Heinz Hopfról kapták a nevüket, szintén a szolitonok csoportjába tartoznak és skyrmionok szálaiból állnak össze. Teoretikus viselkedésüket már régen leírták a kutatók, de megfigyelésük, tünékeny természetük miatt problémát jelentett idáig. A kutatók a kísérletben irídiumból, kobaltból és platinából álló rétegekből készítettek mágneses nanolemezt, mely a skyrmionokat tartalmazta, majd röntgenes fotoemissziós elektron-spektroszkópiás mikroszkóppal vizsgálták, hogy el tudják különíteni a skyrmionokat a hopfionoktól.

Ezeket a mágneses spinjük alapján különböztetik meg egymástól: ahogy a tanulmányban írják a fizikusok, a skyrmionok struktúrája egy fekete középpontú fényes gyűrűre hasonlít, míg a hopfionoké egy fekete-fehér jin-jang alakzatra.

A kutatók azonban óvatosan fogalmaznak az eredménnyel kapcsolatban és hozzáteszik, hogy a fotók egy lehetséges bizonyítékát nyújtják a hopfionok elméletben előre jelzett viselkedésének, de a minden kétséget kizáró bizonyításhoz sokkal jobb felbontású mikroszkópokra lenne szükség, így a jövőben, a technikai feltételek fejlődésével párhuzamosan további vizsgálatokat kell végezni.

Azonban már a mostani megfigyelések és az erre épülő szimulációk is jó kiinduló alapot adnak ahhoz, hogy ezeket a nehezen tanulmányozható jelenségeket jobban megértsék és közelebb kerüljenek annak a felfedezéséhez, hogy hogyan lehetne a hopfionokat hatékonyabban felhasználni a mágneses tárolásban. Ehhez interdiszciplináris együttműködésre lesz szükség, melyhez a Berkeley Laboratóriumának eszközeit is szolgálatba állítják majd, az egyetem közleménye szerint.

(Forrás: Berkeley Lab, Fizikai Szemle, Fotó: Flickr/oakridgelab/losalamosnatlab, GettyImages/sakkmesterke)

Ez is érdekelhet:

A tudósok megfejthették az ember mágneses térérzékelésének kvantumtitkát A madarak rendkívül fejlett intelligenciával rendelkeznek, még bolygónk mágneses terét is látják, a kvantumfizika és a biokémia segítségével eligazodnak  hatalmas távolságok megtétele során is. És erre valószínűleg az ember is képes lehet.
Megfagy a vér az ereinkben a mágneses mező hátborzongató hangjától Ha nem tudnánk, hogy kutatók rekonstruálták a mágneses mező hangját, könnyen hihetnénk, hogy A nyolcadik utas: a halál egyik jelenetébe csöppentünk.
Egyes műanyag nyulak nem ugrálnak, viszont maguktól szaporodnak A 3D nyomtatással gyártott figurák némi rásegítéssel akár magukat is reprodukálhatják, DNS-ük ugyanis saját elkészítési tervüket is tartalmazza.