Klein deeltje, enorm potentieel: wetenschappers ontdekken een nieuw type quasideeltje dat aanwezig is in alle magnetische materialen

Onderzoekers hebben onlangs een baanbrekende ontdekking op nanoschaal gedaan: een nieuw type quasideeltje dat in alle magnetische materialen wordt aangetroffen, ongeacht hun sterkte of temperatuur. Deze nieuwe eigenschappen veranderen wat onderzoekers eerder wisten over magnetisme, en laten zien dat het niet zo statisch is als ooit werd gedacht.

“Opkomende topologische quasideeltjeskinetiek in vernauwde nanomagneten”, was gepubliceerd in Fysiek beoordelingsonderzoek. Tot de onderzoekers behoren Deepak Singh en Carsten Ullrich van het College of Arts and Science van de Universiteit van Missouri, samen met hun teams van studenten en postdoctorale fellows.

“We hebben allemaal de belletjes gezien die zich vormen in bruisend water of andere koolzuurhoudende drankproducten”, zegt Ullrich, Curators’ Distinguished Professor of Physics and Astronomy. “De quasideeltjes lijken op die bubbels, en we ontdekten dat ze zich vrijelijk kunnen bewegen met opmerkelijk hoge snelheden.”

Deze ontdekking zou kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van een nieuwe generatie elektronica die sneller, slimmer en energiezuiniger is. Maar eerst moeten wetenschappers bepalen hoe deze bevinding in die processen zou kunnen werken.

Eén wetenschappelijk gebied dat rechtstreeks zou kunnen profiteren van de ontdekking van de onderzoekers is spintronica, of ‘spin-elektronica’. Terwijl traditionele elektronica de elektrische lading van elektronen gebruikt om informatie op te slaan en te verwerken, gebruikt spintronica de natuurlijke spin van elektronen – een eigenschap die intrinsiek verbonden is met de kwantumaard van elektronen, zei Ullrich.

De batterij van een mobiele telefoon kan bijvoorbeeld honderden uren meegaan op één lading als hij wordt aangedreven door spintronica, zegt Singh, universitair hoofddocent natuurkunde en astronomie en gespecialiseerd in spintronica.

“De spin-aard van deze elektronen is verantwoordelijk voor de magnetische verschijnselen,” zei Singh. “Elektronen hebben twee eigenschappen: een lading en een spin. Dus in plaats van de conventionele lading te gebruiken, gebruiken we de rotatie- of draaiende eigenschap. Het is efficiënter omdat de spin veel minder energie dissipeert dan de lading.”

Singh’s team, waaronder voormalig afgestudeerde student Jiason Guo, voerde de experimenten uit en maakte gebruik van Singh’s jarenlange expertise met magnetische materialen om hun eigenschappen te verfijnen. Het team van Ullrich, samen met postdoctoraal onderzoeker Daniel Hill, analyseerde de resultaten van Singh en creëerde modellen om het unieke gedrag te verklaren dat ze observeerden onder krachtige spectrometers in het Oak Ridge National Laboratory.

De huidige studie bouwt voort op de eerdere studie van het team, gepubliceerd in Natuurcommunicatiewaar ze dit dynamische gedrag voor het eerst op nanoschaalniveau rapporteerden.