Nieuwe kijk op magnetisme
Al jaren experimenteren onderzoekers van de Radboud Universiteit Nijmegen met de grenzen van het mogelijke met magnetische materialen. Zo ontdekken ze steeds spectaculaire nieuwe dingen – die volgens de bestaande ideeën over magnetisme voor een groot deel helemaal niet kúnnen. Ir. Johan Mentink, theoreticus in de groepen van FOM-werkgroepleiders prof.dr. Theo Rasing en prof.dr. Misha Katsnelson, heeft een nieuwe theorie ontwikkeld die wel verklaart wat de onderzoekers in hun experimenten zien. De theorie geeft voorspellingen over hoe nieuwe materialen voor energiezuinige en veel snellere harddisks ontworpen kunnen worden en opent de weg naar nieuwe manieren van magnetische dataopslag. Physical Review Letters publiceert de resultaten in het nummer van deze week.
Oude theorie gold voor trage magneten
De gevestigde theorie beschrijft magnetische processen van geologische tijdschalen tot de nanosecondes waarin de meest moderne harde schijven gegevens wegschrijven. Elke magneet bestaat op de atomaire schaal uit allemaal kleine magneetjes (spins). Een magneet is op grote schaal magnetisch door de koppeling tussen deze elementaire spins. De gevestigde theorie (voor de kenners: de Landau-Lifshitz vergelijking) neemt aan dat deze koppelingskracht oneindig groot is. Alle spins bewegen daarom tegelijk en de koppeling tussen de spins blijft een verborgen grootheid. Echter, de gevestigde theorie beschrijft niet wat er precies gebeurt op de tijdschaal waarop de koppeling zelf werkt: 0,1 picoseconde (een picoseconde is een biljoenste van een seconde).
Nieuwe ideeën voor snelle magneten
De nieuw ontwikkelde theorie beschrijft wél de magnetische processen op de ultrakorte tijdschaal van de koppeling tussen de spins. Zo komt de betekenis van de tot dusver verborgen kracht in beeld. En wat blijkt? De resultaten van de nieuwe theorie zijn volledig in tegenspraak met de verwachtingen van de gevestigde theorie: de verschillende spins in een magneet blijken juist heel verschillend en niet tegelijk te bewegen. Afhankelijk van het materiaal waarvan ze zijn gemaakt gedragen de spins zich anders!
Zo mogelijk nog onverwachter is dat een heel korte intense verstoring – bijvoorbeeld met een warmtepuls van een biljardste van een seconde de spins tijdelijk tegen de koppelingskracht in kan laten gaan. Dit verklaart recente experimenten waar tijdens het omschakelen van sommige antiferromagnetische materialen (waarin de spins in de stabiele toestand om en om noord-zuid staan, en het materiaal als geheel niet magnetisch is) de spins heel kort magnetisch lijken: alle spins staan dezelfde kant op.
Fundament voor nieuwe toepassingen
Nu de onderzoekers weten hoe ze de koppelingskracht kunnen gebruiken voor het schakelen van spins, kunnen zij nieuwe materialen ontwerpen en maken voor het snelste opslagmedium voor data. Hiervoor zullen legeringen met antiferromagnetische koppeling het beste zijn. Vanwege dit directe nut voor de toepassing, is een patent aangevraagd. Maar Mentink is vooral enthousiast over de echt nieuwe dingen waartoe zijn theorie aanleiding geeft. ‘We kunnen de koppelingskracht gaan gebruiken om revolutionaire nieuwe, tegen-inuïtieve manieren te ontwikkelen om spins te manipuleren. Totaal nieuwe manieren van het schakelen van magneten met ongekende snelheid in de orde van picoseconden.’
Referentie
'Ultrafast Spin Dynamics in Multisublattice Magnets', J.H. Mentink, J. Hellsvik, D.V. Afanasiev, B.A. Ivanov, A. Kirilyuk, A.V. Kimel, O. Eriksson, M.I. Katsnelson and Th. Rasing. Physical Review Letters 2012.