Forskare kontrollerar magnetfält i grafen för framtida lagring

Grafen fortsätter överraska med sina imponerande elektromagnetiska egenskaper, och en grupp forskare vid University of Manchester har använt materialet för att aktivt slå av och på mikroskopiska magnetfält. En upptäckt som kan ha enorm innebörd för bland annat hårddiskar.

I en modern hårddisk används skivor täckta med tunna lager av magnetiska material. Ett magnetiskt material eller objekt, som en vanlig stavmagnet eller för den delen en atom, har ett magnetfält som kan ha två olika riktningar, upp eller ner i atomsammanhang, nord eller syd i makroskopiska magnetsammanhang. Genom att sedan skifta små områden på hårddiskens skiva mellan de två riktningarna kan man lagra data som värde 1 eller 0.

Området inom fysiken, elektroniken och materialforskningen som arbetar med manipulation av magnetfält inom elektroniska sammanhang kallas för spinntronik, då magnetfält kan knytas till en egenskap hos partiklar som kallas spinn. Även om det är kvantmekanik med i spelet och det inte är riktigt så enkelt som att atomerna roterar kring en axel på det sätt vi är vana att tänka oss, så är det så man oftast beskriver spinn. Det hänger också ihop med att elektriska laddningar som rör sig cirkulärt, exempelvis runt i en spole, ger upphov till riktade magnetfält.

Ett stort problem inom spinntroniken och hårddiskteknologin är att dagens metoder, även om de är tekniskt avancerade, fortfarande bygger på gamla principer och inte kan ge samma prestanda som komponenter som bygger på transistorer. Transistorer kan byta sitt läge betydligt snabbare än vad en skrivarm på en hårddisk kan ändra magnetfältet på en platta.

Grafen till undsättning

Vad man därför länge har letat efter är en teknik där man kan kontrollera små magnetfält på samma sätt som man kontrollerar strömmar och spännigar med transistorer. Och nu har forskare från University of Manchester hittat en egenskap hos kolstrukturen grafen som kan vara ett genombrott i utvecklandet av sådan teknik.

Grafen är en struktur av kol som kan beskrivas som ett hönsnät av atomer, en atom tjockt, där kolatomerna är bundna till varandra i ett hexagonalt mönster. Om en av dessa atomer skulle plockas bort så bildas hålrum i mönstret som på engelska brukar kallas “vacancies”. I dessa hålrum kan fria elektroner samlas och bilda elektronmoln. Och där det finns elektoner i rörelse finns det också magnetfält.

Forskarna använde den här effekten och har lyckats kontrollera framkallande och upplösande av elektronmolnen. Om den här tekniken är skalbar innebär det att man på pappret kan skapa lagringsenheter där ett hålrum i ett lager grafen representerar en digital bit, som sedan kan få värdet 1 (magnetiskt elektronmoln) eller 0 (inget magnetiskt elektronmoln).

Spinntronikens heliga gral

Detta banar väg för magnetiska grafenbaserade komponenter i stil med transistorer som kan användas för lagring som är betydligt snabbare än vad som erbjuds av hårddiskar idag och potentiellt säkrare än vad som erbjuds av dagens flashlagring, där laddning i transistorerna bevarar data. Tekniken skulle även kunna användas för förbättringar inom olika typer av sensorer.

“This breakthrough allows us to work towards transistor-like devices in which information is written down by switching graphene between its magnetic and non-magnetic states. These states can be read out either in the conventional manner by pushing an electric current through or, even better, by using a spin flow. Such transistors have been a holy grail of spintronics.” –  Dr. Irina Grigorieva, University of Manchester

Det är dock inte bara guld och gröna skogar med grafen då dessa hålrum markant kan minska den styrka och ledningsförmåga som materialet gjort sig känt för. Överlag fortsätter dock grafen imponera inom materialvetenskapen och förhoppningsvis dröjer det inte länge innan vi kan se dess påverkan även i vår konsumentelektronik.

Källa: TG Daily

Relaterade nyheter:

• Forskare bygger hörlurar med grafen och kiseldioxid

• Grafen – Vi tittar närmare på efterträdaren till Kisel