Fysikk er vakkert. Alt fra de største til de minste delene av universet kan beskrives ved hjelp av fysikk. Og alt henger sammen.

Men akkurat som vi mennesker er ufullkomne, så er universets bestanddeler ikke uten sine feil. Og akkurat som hos mennesker, kan nettopp disse feilene være attraktive.

– Materialer er aldri perfekte, konstaterer Dennis Meier, førsteamanuensis ved Institutt for materialteknologi ved NTNU.

Meier studerer småfeil i ellers perfekt ordnede materialer for å forstå deres unike egenskaper. Dette er tilfeldigvis også ekstremt allsidig og potensielt nyttig.

Han er tilknyttet NTNU gjennom Onsager Fellowship-programmet. 

Nyttige feil

Lærebøker viser som regel materialer med perfekte krystallstrukturer. Men dette er bare en del av sannheten. Noen materialer kommer svært nær det perfekte, men det vil alltids finnes feil. Disse feilene kan være urenheter eller «stablefeil» i den atomære eller magnetiske strukturen i et materiale. Meier studerer disse uregelmessighetene og atferden deres på nanonivå.

– Vi kan dra nytte av disse feilene. De har potensial til for eksempel å overføre informasjon i ny teknologi, sier Meier, noe motvillig.

Han vil ikke si at forskningen hans er en nøkkel til superraske datamaskiner som knapt bruker strøm. Men arbeidet hans antyder nyskapende muligheter for framtida.

• Les også: Slik kan solceller bli mer miljøvennlige og dobbelt så effektive

Elektrisk og magnetisk

Materialene han undersøker forener det beste fra to verdener. De har både elektriske og magnetiske egenskaper.

Å studere hvordan disse egenskapene påvirker hverandre kan kanskje en dag hjelpe oss til å utvikle nye typer nanoteknologi. Men uansett hva som skjer med resultatene, vil denne forskningen bringe oss et skritt videre mot større innsikt. For Meier ligger den sanne verdien der.

For å observere materialene har han og kollegene hans brukt flere av de mest avanserte bildeteknikkene, som scanning probe mikroskopi (SPM) og ulike elektronmikroskopimetoder. Men de bruker også andre teknikker.

Meier har utviklet nye optikk-baserte bildemetoder, og har vært involvert i å kontrollere elektriske og magnetiske egenskaper i multifunksjonelle materialer ved hjelp av en laser. Noen av disse metodene var umulige å bruke inntil for få år siden.

• Les også: Vil forlenge batteri-levetid med smart programmering

Introduserte urenheter

En fremgangsmåte for å undersøke og gjøre bruk av feil på nanonivå er å tilføre enda flere urenheter med vilje. 

Noen av de mest interessante observasjonene som Meier har gjort er i overgangene mellom perfekt ordnede deler av materialet. Disse grenseområdene kan ha helt andre fysiske egenskaper enn det omkringliggende materialet.

I en av studiene introduserte Meier kalsium til erbiummanganat (ErMnO₃). Evnen til å lede elektrisitet i visse grenseområder i ErMnO₃, såkalte domenevegger, øker dramatisk ved tilsetning av bare små mengder kalsium, kanskje bare en eller to prosent. Ledningsevnen økte mer dess større mengde urenheter de tilsatte materialet.

Men hvor stor mengde urenheter kan du introdusere?

– Kanskje 10-15 prosent? sier Meier, men dette må undersøkes videre.

• Les også: Nye materialer lager strøm av temperaturforskjeller

Antiferromagnetisme

Sist sommer bidro Meier til tre artikler i Nature-tidsskrifter.

I den siste artikkelen så forskerne på ørsmå bevegelser i magnetiske defekter i jerngermanium (FeGe). Gjennom disse bevegelsene organiserer materialet sin magnetiske struktur på atomært nivå.

Få av oss uten fysikkbakgrunn forstår hva dette betyr. Her er en forklaring:

FeGe er et såkalt «heli-magnetisk» materiale. Helimagnetisme er resultat av et samspill mellom ferromagnetisme, som er den form for magnetisme de fleste kjenner til, og krefter som prøver å snu om på den magnetiske ordenen.

Som en konsekvens av disse motstridende kreftene oppstår en spirallignende magnetisk orden. Samlet sett nulles de magnetiske egenskapene ut, og derfor refererer vi til denne typen magnetisk orden som antiferromagnetisme. Antiferromagnetiske materialer er altså på sett og vis magnetiske, men likevel ikke. (Se faktaboks.)

Magnetisme er avhengig av elektronspinn. Du kan tenke på spinn som om elektronene i et materiale roterer rundt seg selv. De kan spinne i forskjellige retninger. I magnetiske materialer spinner elektronene stort sett i samme retning.

Som Doctor Who sier det i episoden The Impossible Astronaut: «Det er ikke sånn i det hele tatt, men hvis det hjelper»…

I antiferromagnetiske materialer arrangeres altså elektronenes spinn vanligvis i et mønster som gjør at de magnetiske egenskapene nulles ut. (Se illustrasjon.) Dette er et veldig generelt fenomen som forekommer i mange materialer. Ettersom den samlede effekten er null, er det svært vanskelig å få tilgang til de relaterte egenskapene.

Mange forskere prøver å påvirke spinn i ferromagnetiske materialer ved hjelp av lys. Meier og hans kolleger klarte å gjøre det i en antiferromagnet. De kunne skrive og slette spesielle deler av materialet ved å bruke lyspulser av forskjellig farge.

Det er her det nyttige trenger seg på som en litt irriterende gjest som nekter å gå.

• Les også: Utvikler harddisker som kan lagre ekstremt store mengder data

Av og på

Dataoverføring og lagring består til sist av et komplisert system av 0 og 1, eller «av» og «på» om du vil. Hullkort ble brukt for mange år siden. I dag bruker vi magnetisme til å gjøre den samme jobben. Vanligvis er magnetisk moment «av» eller «på». Kontrollen av dette krever store mengder energi.

Hvis vi isteden kan kontrollere elektronenes spinn ved å bruke elektrisk spenning eller andre typer magnetisme, som antiferromagnetisme, kan dette gi andre former for kontroll eller andre typer «av» eller «på». Det kan da lede frem til datamaskiner som knapt bruker noe strøm. Kanskje.

Dette er ikke noe som Meier snakker for mye om. Forskere innenfor hans felt er interessert i teknologiske anvendelser og å skape neste-generasjons enheter, men arbeidet innebærer også grunnleggende forskning. Det betyr at vi nok må vente en stund før vi kan kjøpe denne typen teknologi i en databutikk.

Referanser:

A. Dussaux m.fl:Local Dynamics of Topological magnetic DEFECTS in the itinerant heli magnet FeGe, Nature Communications, 2016

S Manz m.fl: Reversible optical switching of antiferromagnetism in TbMnO3, Nature Photonics, 2016. doi: 10.10.1038 / nphoton.2016.146

M. Fiebig m.fl: The evolution of multiferroics, Nature Reviews Review Materials, 2016