Od starożytnego wynalazku do nanoskopowej spirali
Zespół pod kierunkiem Mingrana Xu zmierzył się z klasycznym wyzwaniem. Tradycyjne chiralne magnesy krystaliczne, w których właściwości zależą od kierunku, są kapryśne i wymagają skomplikowanej kontroli. Dla przyszłych, masowych zastosowań to ślepa uliczka.
Wcześnie rozważaliśmy krystaliczne magnesy chiralne, ale nie byliśmy zadowoleni z tej drogi, ponieważ ich chiralne odpowiedzi są często ograniczone do niskich temperatur i/lub wymagają zewnętrznych pól magnetycznych – tłumaczy główny autor
Czytaj też: Wysokie temperatury i niska emisja. Technologia, która może namieszać w fabrykach
Badacze postawili na inne rozwiązanie. Zamiast szukać coraz to nowych kryształów, postanowili zaprojektować pożądane zachowanie od zera, nadając materiałowi odpowiednią formę. Pomysł narodził się dzięki śrubie Archimedesa. Czy podobna, spiralna struktura mogłaby „pompować” w określonym kierunku magnony, czyli zbiorowe wzbudzenia spinów elektronów? Magnony są interesujące, ponieważ przenoszą informację przy znacznie mniejszych nakładach energetycznych niż elektrony. Realizacja tego konceptu stała się możliwa dzięki zaawansowanym narzędziom w EPFL. Efektem są mikroskopijne, skręcone rurki z niklu, które powstają w procesie łączącym litografię 3D i precyzyjne nanoszenie warstw atomowych.
Dlaczego niklowy korkociąg zachowuje się wyjątkowo?
Proces wytwarzania tych sztucznych nanostruktur jest niezwykle precyzyjny. Najpierw tworzy się polimerowy szablon o skręconym kształcie, przypominający miniaturową spiralę DNA. Następnie, metodą osadzania warstw atomowych, pokrywa się go jednolitą, 30-nanometrową warstwą niklu. Rezultat to polikrystaliczny nikiel, lecz o zupełnie nowych możliwościach, dyktowanych wyłącznie przez geometrię.
Struktury te wykazują spontaniczną anizotropię magnetochiralną w temperaturze pokojowej i bez zewnętrznego pola. W praktyce oznacza to, iż ich opór elektryczny zmienia się w zależności od kierunku, w którym płynie prąd. Osiągnięty przez zespół parametr chiralności wyniósł 5,4 × 10⁻⁴. Dla porównania, jeden z lepszych naturalnych materiałów, CuOSeO₃, osiąga około 1,9 × 10⁻⁴, i to w niskich temperaturach. To nie jest marginalna poprawa, ale wyraźny skok. Zaawansowane techniki obrazowania potwierdziły, że wewnątrz nanorurek powstają stabilne, helikalne tekstury spinowe, które są bezpośrednim efektem ich skręconego kształtu.
Reprogramowalne materiały i nowa filozofia projektowania
Co z tego wynika dla przyszłych technologii? Przede wszystkim, takie sztuczne magnesy chiralne można programować. Pamiętają one historię przyłożonego pola magnetycznego, co otwiera drogę do tworzenia reprogramowalnych komponentów spintronicznych. Dodatkowo, magnony w tych strukturach niosą ze sobą orbitalny moment pędu, co daje inżynierom dodatkowy „przycisk” do wykorzystania w kodowaniu lub przetwarzaniu sygnałów. To istotne, bo przełamuje tradycyjne myślenie o fizyce ciała stałego, gdzie właściwości są z góry narzucone przez strukturę krystaliczną. Tutaj, używając zwykłego niklu, ale w specjalnie ukształtowanej formie, można uzyskać funkcjonalności niedostępne dla naturalnych kryształów.
Dirk Grundler z EPFL wskazuje na dalsze plany: tworzenie całych macierzy takich zakrzywionych elementów, które będą tworzyły meta-materiały o zaprojektowanych, reprogramowalnych właściwościach, gotowe do integracji z układami mikrofalowymi. Perspektywy wydają się obiecujące, od miniaturowych prostowników w układach spintronicznych po nowe sposoby przetwarzania informacji. Symulacje sugerują, iż zmniejszanie rozmiarów struktur może jeszcze poprawić ich kluczowe parametry. Pytanie, jak ta technologia laboratoryjna poradzi sobie z wyzwaniami masowej produkcji oraz długoterminowej niezawodności.