– Već dugi niz godina spintronika se spominje kao ciljana tehnologija, gdje se on/off kontrola binarnog zapisa prebacuje na magnetizam, umjesto trenutne elektronike koja je bazirana na nabojima, i koja može tvoriti nove sustave za spremanje informacija, ali i novu generaciju tranzistora. Osim toga, postoje sustavi gdje se magnetizam kontrolira optički, što je osnova za optoelektroničke uređaje. Mi trenutno tražimo materijale koji su prikladni za razvoj takvih naprava. No znanost tako funkcionira, treba dugo od pronalaska fenomena do industrijske primjene – kaže za Večernji list izv. prof. dr. Mihael Grbić. On je s kolegama fizičarima Ivanom Jakovcem i Ivanom Kupčićem s Prirodoslovno-matematičkog fakulteta Sveučilišta u Zagrebu predvodio međunarodni tim istraživača koji je otkrio neobično magnetsko stanje u tzv. slojevitom frustriranom materijalu.
Neočekivani rezultati
Rezultati istraživanja objavljeni su u uglednom znanstvenom časopisu Physical Review Letters. U materijalu su otkrili magnetske virove – male magnetske strukture koje se mogu slobodno gibati kroz ravnine materijala. Ti se virovi pojavljuju spontano pri temperaturama nižima od oko minus 100 Celzijevih stupnjeva, a njihov broj raste kako se materijal dodatno hladi. Također, u ovom su spoju izrazito stabilni te ih se pronalazi u rasponu temperatura do minus 230 stupnjeva. Takvo ponašanje poznato je kao BKT stanje, ali je u realnim magnetskim materijalima vrlo rijetko. Dosad je uglavnom opažano u posebno izrađenim, umjetnim strukturama, dok je u stvarnim materijalima teško uočljivo i obično nestabilno. Materijal koji su proučavali istraživači posebno je zanimljiv zbog svoje strukture. Atomi bakra u njemu raspoređeni su u trokute koji tvore tzv. kagome strukturu, nalik Davidovoj zvijezdi. Takav raspored atoma, pojašnjavaju fizičari, stvara svojevrsnu gužvu magnetskih sila koje se međusobno nadmeću i ne mogu istodobno zadovoljiti sve svoje zahtjeve. Fizičari takvu pojavu nazivaju – frustracijom.
Upravo zbog te frustrirane strukture znanstvenici su očekivali da bi nastanak magnetskih virova mogao biti otežan. Umjesto toga, pokazalo se suprotno, da se virovi u materijalu pojavljuju i ostaju stabilni. U materijalu se istovremeno pojavljuju magnetski virovi i antivirovi te je njihov ukupan učinak takav da materijal ne pokazuje uobičajenu magnetičnost. Zato se može govoriti o svojevrsnom "magnetizmu bez magnetizma". Pojednostavljeno, može se, vele, zamisliti kao da se u naizgled nemagnetičnom materijalu pojavljuju mali vrtlozi magnetskog ponašanja. Oni se mogu slobodno kretati kroz ravninu, a njihov broj raste kako se materijal hladi. Ovakvo ponašanje predviđeno je prijašnjim istraživanjima, u kojima je uočeno da se svojstva pojedinog sustava mijenjaju kad se smanjuje njegova debljina – stanjivanjem običnog magneta stanjuje do nekoliko atomskih slojeva, magnetizam postaje sve slabiji i u konačnici nestaje. Međutim, umjesto njega nastupa ovo tzv. BKT stanje, gdje su pojedini (anti)virovi mali magnetski defekti. To otkriće je važno, pojašnjavaju, jer pokazuje da frustrirana magnetska struktura može pomoći u stabilizaciji ovog vrlo neobičnog stanja. To znanstvenicima daje novi način za razumijevanje ponašanja jako koreliranih materijala i mehanizama koji u njima stvaraju neobična svojstva.
– Ovo je posebno zanimljivo jer smo magnetske virove pronašli upravo u strukturi u kojoj ih nismo očekivali. Njihova stabilnost u tako širokom temperaturnom području pruža nam novu priliku za razumijevanje BKT stanja u stvarnim materijalima – ističe izv. prof. dr. Grbić. Istraživanje, dodaje, predstavlja još jedan korak u razumijevanju frustriranih i jako koreliranih materijala, koji su posljednjih desetljeća među važnim područjima istraživanja u fizici. Takvi materijali pokazuju svojstva koja bi u budućnosti mogla biti zanimljiva i za razvoj novih tehnologija. Trenutno je u istraživačkoj fizici novih materijala velik interes oko takozvanih van der Waals (vdW) materijala, slojevitih struktura koji se sastoje od ravnina.
Kontrola slojeva
– Razlog interesa je to što se jednostavnim industrijskim tehnikama kontrole broja slojeva može podešavati njihov magnetizam. U bilo kojem materijalu koji želimo koristiti u tehnologiji, želimo imati potpunu kontrolu nad njihovim parametrima. Inače ne možemo od njega napraviti proizvod koji je stabilan i koji ponovljivo radi ono što mu je namjena. Za magnetizam su mnoge stvari već poznate, uglavnom se zna zašto magnetizam nastaje, ali je nezgodno kad želimo taj isti magnetizam kontrolirati tako da ga lako uključimo ili isključimo – napominje. Kad bi mogli izravno dokazati uzrok magnetizma, a nada se, ističe, da će to moći, onda bi se u principu mogao dizajnirati materijal koji je vrlo blizu kritične vrijednosti antisimetrične interakcije te se nekom drugom pobudom može lako prebaciti iz magnetskog u nemagnetsko stanje. – Ono što je još bitnije, takav mehanizam mogao bi biti prepoznat i u drugim materijalima, pa bi se moglo sustavno tražiti spoj koji će biti prirodno optimalno podešen za izradu tehnoloških rješenja – zaključuje.