Физици откриха нов магнитоелектричен ефект, който може да увеличи капацитета на твърдите дискове

Електричеството и магнетизма са тясно свързани: Електропроводите генерират магнитно поле, а въртящите се магнитни елементи в генераторите създават електричество. Явлението обаче е много по-сложно: електрическите и магнитни свойства на определени материали също са свързани помежду си. Електрическите свойства на някои кристали могат да бъдат повлияни от магнитните полета – и обратното. В този случай говорим за „магнитоелектричен ефект“. Той играе важна технологична роля, например в определени видове сензори или в търсенето на нови технологии за съхранение на данни.

Учени са изследвали специален материал, който на пръв поглед изобщо не се очаква да притежава магнитоелектричен ефект. Но внимателните експерименти с него са показали, че ефектът може да се наблюдава при този материал, и при него той работи напълно различно от обикновеното. Специфичното е, че магнитоелектричния ефект може да се контролира по силно чувствителен начин: Дори малки промени в посоката на магнитното поле могат да доведат до превключване на електрическите свойства на материала в напълно различно състояние.

„Дали електрическите и магнитите свойства на кристала са свързани или не, зависи от вътрешната симетрия на кристала“, казва проф. Андрей Пименов от Института по физика на твърдото тяло в TU Wien. „Ако кристалът има висока степен на симетрия, например, ако едната страна на кристала е точно огледално съвпадаща на другата страна, тогава по теоретични причини не може да има магнитоелектричен ефект.“

Това се отнася и за кристала, който учените са разгледали подробно сега – т.нар. „лангазит“, изработен от лантан, галий, силиций и кислород, легиран с атоми на холмий. „Кристалната структура е толкова симетрична, че всъщност не би трябвало да позволява магнитоелектричен ефект. И в случай на слаби магнитни полета наистина няма връзка с електрическите свойства на кристала“, казва Андрей Пименов. „Но ако увеличим силата на магнитното поле, се случва нещо забележително: атомите на холмия променят квантовото си състояние и придобиват магнитен момент. Това нарушава вътрешната симетрия на кристала“.

От чисто геометрична гледна точка кристалът все още е симетричен, но трябва да се вземе предвид и магнетизмът на атомите и именно той нарушава симетрията. Следователно електрическата поляризация на кристала може да бъде променена с магнитно поле. „Поляризацията е, когато положителните и отрицателните заряди в кристала се изместват малко по отношение един на друг“, обяснява Пименов. „Това би могло лесно да се постигне с електрическо поле – но поради магнитоелектричния ефект това е възможно и с помощта на магнитно поле.“

Ключът не е в силата, а в посоката

Колкото по-силно е магнитното поле, толкова по-силен е неговият ефект върху електрическата поляризация. „Връзката между поляризация и силата на магнитното поле е приблизително линейна, което не е нищо необичайно“, казва Андрей Пименов. „Забележителното обаче е, че връзката между поляризацията може напълно да се преобърне. Това е нова форма на магнитоелектричния ефект, която не беше известна преди.“ Така че малкото въртене може да реши дали магнитното поле може да промени електрическата поляризация на кристала или не.

Възможност за нови технологии за съхранение на данни

„Магнитоелектричният ефект ще играе все по-важна роля за различни технологични приложения, като устройствата за съхранение на компютърна информация например“, казва Андрей Пименов. „В следващата стъпка ще се опитаме да променим магнитните свойства с електрическо поле, вместо да променяме електрическите свойства с магнитно поле, както правихме досега в проведените експерименти. По принцип това трябва да е възможно по абсолютно същия начин“.

Ако този експеримент също се окаже успешен, това би било обещаващ нов принцип за създаване на технологии за съхраняване на данни в твърди вещества. „За да записват данните на магнитните плочи, на компютърните твърди дискове, които се използват днес, са необходими магнитни полета“, обяснява Пименов. „Те се генерират с магнитни намотки, което изисква относително голямо количество енергия и време, и именно това е причината твърдите дискове да се смятат за остаряваща технология, с ниска скорост, която непрекъснато се заменя от съхранението с изцяло електронни чипове. Ако имаше директен начин за превключване на магнитните свойства на твърдотелната памет с електрическо поле, това определено би било пробив и би имало потенциала да промени тенденциите в индустрията“, завършва Пименов.

Работата на екипа може да се окаже наистина съществена за бъдещето на твърдите дискове. Макар и в повечето потребителски устройства те отдавна да са заместени от SSD устройствата, които предлагат значително по-висока скорост за трансфер на данните, конвенционалните твърди дискове все още са предпочитани в някои компютърни лаборатории, центрове за съхранение на данни, съхраняване на чувствителна и важна информация, както и за архивиране на дейта центрове и други. Причината затова е, че при настъпването на механична или електронна повреда при твърдите дискове, шансът информацията записана на тях да бъде извадена и съхранена е значително по-голям от този при SSD дисковете, който в голяма част от случаите клони към нула.