Nature dergisinde yayınlanan yeni bir makaleye göre, Nottingham Üniversitesi’nden araştırmacılar dört yıl önce teorize edilen altermanyetizma özelliğini gözlemledi.
Nottingham Üniversitesi’nden bir araya gelen araştırmacılar, dijital cihazların hızını ve verimliliğini artırabilecek, altermanyerizma adı verilen yeni bir manyetizma türü keşfetti. Yürütülen araştırmanın bulguları Nature dergisinde yayınlandı. Altermanyetizma özelliğine sahip materyaller ile geliştirilen elektronik cihazların çalışma hızlarını mevcut teknolojilere kıyasla yaklaşık bin kat artırma potansiyeline sahip.
Altermanyetizma, manyetik momentlerin (elektronların spinleri) komşularına antiparalel olarak hizalandığı, ancak her birinin barındığı kristal yapının komşularına göre döndüğü benzersiz bir manyetik düzen olarak ifade ediliyor. Bu yapı, antiferromanyetizmaya benzer şekilde net bir manyetizasyon oluşturmuyor, ancak elektronik bant yapısında güçlü spin polarizasyonları meydana getiriyor.
Manyetizmadan altermanyetizmaya
Manyetizma, bazı malzemelerin manyetik alanlara tepki verme veya kendiliğinden bir manyetik alan üretme özelliği olarak tanımlanabilir. Elektronların yörüngesel hareketi ve spin adı verilen kuantum mekaniksel özelliği manyetizmanın temelini oluşturuyor. Manyetik özellikler, bir malzemenin atom yapısına ve iç düzenine bağlı olarak gelişiyor. Bu özellik, mıknatısların demiri çekmesi, manyetik alanların elektrik akımlarıyla ilişkisi gibi günlük hayatta sıkça karşılaşılan fenomenlerin temelini oluşturuyor.
Ferromanyetik malzemeler ise, atomlarının manyetik momentlerinin aynı yönde hizalanarak net bir manyetik moment oluşturduğu ve mıknatıs özelliği gösteren malzemeler olarak biliniyor. Demir, kobalt, nikel ve bazı alaşımlar gibi metaller bu sınıfa girer. Bu malzemeler, Curie sıcaklığı adı verilen, belirli bir sıcaklığın altında manyetik düzenini korurken, bu sıcaklığın üzerinde paramanyetik (dış bir manyetik alan uygulandığında zayıf manyetik momentler oluşturabilen, ancak alan kaldırıldığında bu momentleri kaybeden malzeme) hale geliyor.
Manyetik özelliklerin bilimsel temelinin, 19. yüzyılda André-Marie Ampère’nin atomik elektrik akımları teorisiyle başladığı, 20. yüzyılda Pierre Curie ve Wilhelm Weiss gibi bilim insanlarının çalışmalarıyla geliştirildiği biliniyor. Ferromanyetik malzemeler, manyetik depolama, motorlar, jeneratörler ve sensörler gibi birçok teknolojik uygulamada kritik rol oynuyor.
Antiferromanyetizma ise, manyetik bir malzemede komşu atomların manyetik momentlerinin (spinlerinin) zıt yönlerde hizalanarak toplamda sıfır net manyetik moment oluşturduğu bir manyetik düzen türü olarak biliniyor. İlk kez 1930’larda Louis Néel tarafından teorik olarak modellenen antiferromanyetizma, 1970’te Nobel Fizik Ödülüne layık görüldü. Antiferromanyetik malzemeler, manyetik özelliklerini belirli bir sıcaklık (Néel sıcaklığı) üzerinde kaybediyorlar. Bu yapı, malzemenin dış manyetik alanlara karşı tepkisini azaltırken, yüksek hızlı ve düşük enerji tüketimli spintronik cihazlar için önemli bir temel oluşturuyor.
Spintronik cihazlar
Spintronik cihazlar, geleneksel elektronik cihazlardan farklı olarak, elektronların sadece yükünü değil, aynı zamanda “spin” adı verilen kuantum mekaniksel özelliğini de kullanarak bilgi işlem ve depolama yapmayı amaçlayan ileri teknolojik araçlar olarak tanımlanıyor. Spintronik teknolojisi, manyetik alanlar, spin akımları ve malzemelerdeki manyetik düzenlemeleri manipüle ederek çalışıyor.
Bu cihazlar, daha düşük enerji tüketimi, daha yüksek veri işleme hızı ve daha büyük depolama kapasitesi gibi avantajlar sunuyor. Manyetik RAM (MRAM), spintronik transistörler ve manyetik sensörler, bu teknolojinin örnekleri olarak gösteriliyor. Dolayısıyla antiferromanyetik ve altermanyetik malzemelerin keşfi, spintronik cihazların hızını ve verimliliğini artırma potansiyeline sahip.
Araştırmaya göre altermanyetik malzemeler, ferromanyetik ve antiferromanyetik özellikleri tek bir yapıda birleştiriyor. Bu özellikleri sayesinde, mikroelektronik bileşenlerin ve dijital hafızanın hızını yaklaşık bin kat artırma potansiyeline sahip oldukları ifade ediliyor. Ayrıca, daha dayanıklı ve enerji verimli olmaları bekleniyor.
Nottingham Üniversitesi Fizik ve Astronomi Bölümünden bir araya gelen araştırma ekibi, altermanyetizmanın varlığını mikroskobik cihazlarla gözlemledi. Araştırma, İsveç’teki MAX IV uluslararası tesisinde yürütüldü. Bu tesis, elektron hızlandırma teknolojisi (sinkrotron) kullanarak güçlü X-ışınları üretiyor. X-ışınları manyetik malzemeye yönlendiriliyor ve yüzeyden yayılan elektronlar özel bir mikroskopla tespit ediliyor. Bu sayede, malzemedeki manyetizmanın nanoskopik çözünürlükte görüntüleri elde ediliyor.
Araştırmacılar, altermanyetik malzemelerin pratik uygulamalarını geliştirmek için çalışmalarını sürdürüyorlar. Özellikle, bu malzemelerin endüstriyel ölçekte işlenmesi ve elektronik cihazlarda kullanımı üzerine odaklanılıyor. Altermanyetizmanın keşfi, spintronik ve süperiletkenlik gibi alanlarda da yeni araştırma fırsatları sunabilir.
Kaynak: University of Nottingham
