Vasta nyt tutkijat ovat onnistuneesti osoittaneet, että Franz Preisachin vuonna 1935 ehdottamat hypoteettiset "hiukkaset" ovat todellisuudessa olemassa. Linköpingin ja Eindhovenin yliopistojen tutkijat osoittavat nyt miksi ferrosähköiset materiaalit toimivat kuten ne toimivat.
Ferromagneettisista materiaaleissa elektronit toimivat pieninä magneettisina dipoleina, mutta ferrosähköisissä materiaaleissa dipolit eivät ole magneettisia vaan sähköisiä. Sopivalla sähkökentällä dipolit kohdistuvat kentän suuntaisesti. Lisäksi materiaalissa esiintyy hystereesi, mikä tekee nämä materiaalit erittäin sopivaksi uudelleenkirjoitettaviin muisteihin.
Ihanteellisessa ferrosähkömateriaalin palassa koko pala vaihtaa polarisaatiotaan, mutta reaalimaailman ferrosähkömateriaaleissa eri osat polarisoivat erilaisilla kenttävahvuuksilla ja nopeuksilla. Tämän epäideaalisuuden ymmärtäminen on avain muistisovelluksiin.
Puhtaasti matemaattinen Preisach-malli kuvaa ferromateriaaleja suurena kokoelmana pieniä itsenäisiä moduuleja, joita kutsutaan hysteroneiksi (hysterons). Jokainen niistä käyttäytyy ferrosähköisesti ideaalisesti, mutta kullakin on oma kriittinen kenttä, joka voi olla eri kuin toisella hysteronilla.
Tutkijoiden mukaan malli antaa tarkan kuvauksen todellisista materiaaleista, mutta toisaalta tutkijat eivät ole ymmärtäneet fysiikkaa, johon malli on rakennettu. Ovatko hysteronit todella olemassa?
Professori Martijn Kemerinkin tutkimusryhmä on yhdessä Eindhovenin yliopiston tutkijoiden kanssa tutkinut kahta orgaanista ferrosähköistä mallijärjestelmää ja löytänyt sitä kautta selityksen. Tutkittujen orgaanisten ferrosähköisten materiaalien molekyylit haluavat olla toistensa päällä, muodostaen sylinterimäisiä pinoja, jotka ovat noin nanometrin levyisiä ja useita nanometrejä pitkiä. Tutkijoiden mukaan kyseiset pinot ovat itse asiassa etsittyjä hysteroneja.
- Nyt kun olemme osoittaneet, kuinka molekyylit vuorovaikuttavat toistensa kanssa nanometritasolla, voimme ennustaa hystereesi-käyrän muodon. Tämä selittää myös miksi ilmiö toimii, kuten se toimii, sanoo professori Kemerink.
Tutkijoiden mukaan on melko todennäköistä, että kyseessä on yleinen ilmiö. Nämä tulokset voivat ohjata materiaalisuunnittelua uusille monibittisille muisteille ja ne ovat jatkossa tie pieniin ja joustaviin muisteihin tulevaisuudessa.
Vuotta aikaisemmin professori Martijn Kemerinki osoitti espanjalaisten ja hollantilaisten kollegoidensa kanssa ensimmäistä materiaalia, jonka johtavuusominaisuuksia voidaan kytkeä päälle ja pois hyödyntämällä ferrosähköistä polarisaatiota.
Silloin tutkijat arvelivat, että menettelyä voidaan käyttää pieniin ja joustaviin digitaalisiin muisteihin tulevaisuudesta sekä täysin uudentyyppisille aurinkokennoille.
Ferrosähköisellä ilmiöllä esimerkiksi ohutkalvo muuttaa materiaalin polarisaatiota sähkökentän suunnalla ohjattuna mutta kyseisessä tutkimuksessa se johti myös johtavuuden muutokseen.
Veijo Hänninen
Nanobittejä 29.10.2018
