Forradalmasíthatja az információtárolást egy újonnan felfedezett magnetoelektromos jelenség
Andrei Pimenov és munkatársai a Bécsi Műszaki Egyetem Szilárdtestfizikai Intézetéből szeptember közepén érdekes publikációt tettek közzé a Nature Quantum Materials folyóiratban egy különös jelenségről, amiben az elektromos és mágneses terek úgy kapcsolódnak össze, hogy ezt nem kísérik különböző mozgások.
Mozgások esetén nincs is ebben semmi különös, hiszen jól ismert, hogy a vezetékekben folyó áram mágneses teret hoz létre maga körül, miként az is, hogy a generátorokban mágnesek forgatásával hozzuk létre az elektromos áramot.
Az új jelenség és a hozzá kapcsolódó technikai lehetőségek azonban más srófra járnak, ezért megértéséhez ismernünk kell az atomok héjszerkezetének bizonyos tulajdonságait, mindenekelőtt az úgy nevezett „f héj” szerepét. Az atomok elektronjai héjakba rendeződnek, amelyeket elsősorban a pályájukhoz tartozó forgási állandó, az impulzusnyomaték határoz meg. Ezt az egyes elektronok esetén az „l” kvantumszám jellemzi, ami felvehet 0, 1, 2, 3 … értékeket, amit a spektroszkópia tudománya s, p, d és f … pályáknak nevez.
Az atomok külső héját s és p pályák alkotják, ezek hozzák létre az atomok közötti kémiai kötést. Átmenetifémek kötésszerkezetében emellett a d pályák is szerepet játszanak, viszont a ritkaföldfémek f pályáit a külső pályák leárnyékolják, ezért nincs közvetlen szerepük a kémiai kötések kialakulásában. Emiatt ezek az elemek nagyon hasonló tulajdonságokkal rendelkeznek – lantanidáknak (vagy lantanoidáknak) is szokták őjet nevezni, mert a lantánatomtól (La) csak az f héjban lévő elektronok számában különböznek. Ez a héj viszont nagyon „tágas”, összesen 14 elektron befogadására képes az l = 3-hoz tartozó hét és a spinhez tartozó két különböző állapot miatt.
Egy elem Stockholmból
A modern technológiában, mindenekelőtt az elektronikában és a számítástechnikai eszközökben egyre növekszik a ritkaföldfémek fontossága, és ezt pont az f héjban lévő elektronoknak köszönhetjük. Ugyanis amíg kémia szempontból nem játszanak fontos szerepet, annál változatosabb mágneses tulajdonságokkal rendelkeznek. Kémiai kötésekben az elektronok mágneses tulajdonságai elvesznek, viszont megmaradnak a belső héjakban, mindenekelőtt az f héjban.
A ritkaföldfémek jelentős részének elnevezése svéd helységnevekhez kapcsolódik, ennek oka, hogy először ezeket az elemeket egy svédországi falú bányájának érceiből különítették el, ez vonatkozik a cikkben idézett munka főszereplőjére, a holmiumra (Ho) is, ami Stockholm latin nevére, Holmiára utal.
Kristályokban a holmium 3+ töltéssel rendelkezik, azaz az atom héjából 3 elektron hiányzik, és így az f héjban 10 elektron helyezkedik el. Ennek a számnak külön jentősége van a bécsi kísérlet szempontjából. A 10 páros szám, ekkor az elektronok összessége egyaránt lehet mágnesesen semleges, azaz diamágneses vagy paramágneses. Másrészt a 10 elektron nagyon sok különböző állapotot (konfigurációt) hozhat létre, amelyek közül az alapállapot maximális eredő spinnel és pályamomentummal rendelkezik.
Az energiaszintek nagyságát elsősorban az elektronok közötti kölcsönhatás szabja meg, de a sokszorosan degenerált alapállapotban (degeneráltnak nevezzük az állapotot, ha ott több azonos energiájú részecske lehet) további felhasadást okoz a kristály elektromos tere (ez a kristálytér), amit a holmiumiont körülvevő fémionok pozitív és az oxigének negatív töltése hoz létre. A kísérletben vizsgált kristály egy holmiummal dópolt lantán-gallium-szilikát (langazit) volt, amelynek összetétele HoxLa3−xGa5SiO14. Ebben a lantánionokat kis részben holmium helyettesíti, kis x = 0,043 értéket pedig azért választottak, hogy a paramágneses centrumok közötti kölcsönhatás ne akadályozza a keresett effektus megfigyelését. A kristályrácsban a lantán helyettesítését holmiummal a két elem nagyon hasonló fizikai-kémiai tulajdonságai teszik lehetővé.
Új kapcsoló?
A kísérletben kulcsszerepe van a szimmetriának: a langazit struktúra olyan szimmetriával rendelkezik, amelyben nem várható, hogy a mágneses kölcsönhatás befolyásolja az elektromos tulajdonságokat, azaz nem léphet fel magnetoelektromos hatás. De mégis sikerült ezt megfigyelni, mégpedig nem is kicsit – a beépített holmium ionok paramágnesessége által!
Kiderült, hogy ha a kristálytani tengelyekhez képest megváltoztatják a mágneses tér irányát, bizonyos szögeknél jelentős mértékű változás indukálható az elektromos polarizációban. Ennek oka, hogy a kristálytér csak kis felhasadást okoz az alapállapotban, amelynek szeparációja mágneses kölcsönhatás révén jelentősen megváltoztatható, ami jelentősen megváltoztatja mind a mágneses, mind az elektromos tulajdonságokat.
Ez a hatás mély hőmérsékleten, 20 K alatt jelentkezik, emellett erős mágneses térben, 1 és 12 T között, ami a földi mágneses térnek húszezerszerese, illetve több mint kétszázezerszerese. Az f elektronok alsó energiaszintjeinek átalakítása révén a töltéspolarizáció megváltoztatható. A rendszer úgy működik, mint egy kapcsoló, amelyben a mágneses tér által az elektromos teret változtatjuk meg.
A fizika szabályai szerint viszont minden folyamat iránya megfordítható, és itt válik izgalmassá a dolog: az elektromos tér megváltoztatásával is kiválthatunk mágneses effektusokat. Olyan kapcsolót hozhatnánk létre, amelyben az elektromos tér segítségével közvetlenül olvashatunk ki vagy vihetünk be olyan információt, amit eddig csak mágneses tekercsek révén tudtunk megvalósítani. Ez az információtárolás forradalmára vezethetne, persze ehhez arra is szükség van, hogy ez a kapcsoló ne csak mély hőmérsékleten, azaz 20 Kelvin alatt működjön.
A szerző fizikus, a BME és az ELTE címzetes egyetemi tanára. A Kalandozások a fizikában címen a Qubiten futó sorozatának korábbi írásai itt, tudósportréi pedig itt találhatók.
Korábbi kapcsolódó cikkeink: