Neuer Quantenmagnet verspricht Anwendungen in der Robotik, Elektronik und Sensorik

Forscher des MIT Plasma Science and Fusion Center (PSFC) Hangu Chui et al. haben kürzlich die gut verstandene Technologie hinter Magneten neu interpretiert. Auch wenn das auf den ersten Blick simpel klingt (wie viel besser kann ein Magnet überhaupt werden?), eröffnet die Forschung neue Materialanwendungen. Da Magnete (und der Elektromagnetismus selbst) die Grundlage ganzer Rechensysteme bilden, wird erwartet, dass Verbesserungen an magnetischen Basismaterialien weitreichende Verbesserungen bei unserem Umgang mit diesen fundamentalen Kräften mit sich bringen werden.

Mithilfe von Quanteneffekten gelang es den Forschern, den anomalen Hall-Effekt und die Berry-Krümmung zu kontrollieren, zwei grundlegende physikalische Hindernisse, die den Versuchen entgegenstanden, sie auf eine für uns nützliche Weise einzusetzen. Das neue Papier des Forschungsteams, das in Nature veröffentlicht wurde, wirft Licht auf die Verwendung von Chromtellurid als Möglichkeit, beide Effekte zu nutzen, um sowohl die Effizienz als auch die Leistung zu verbessern. Die betroffenen Gebiete? Überall dort, wo Magnete eine Rolle spielen: von der Informatik über die Elektronik bis hin zur Robotik.

Der Hall-Effekt bezieht sich auf eine Entdeckung des 23-jährigen Edwin Hall im Jahr 1879. Hall bemerkte, dass der Strom gegen das gegenüberliegende Ende abgelenkt wurde, wenn man einen Magneten im rechten Winkel gegen einen vertikalen Metallstreifen richtete, durch den ein Strom floss des Metallblechs (denken Sie daran, dass elektrischer Strom die geordnete Bewegung freier Elektronen ist).

Dieser asymmetrische Stromunterschied wurde als Hall-Effekt bekannt. Aber mit der Quantenmechanik kann dieses asymmetrische Verhalten zu unserem Vorteil genutzt werden. Stellen Sie sich die Quantenmechanik als eine Möglichkeit vor, zu untersuchen, was der Hall-Effekt tatsächlich auf der Ebene der Teilchenphysik bewirkt, was uns wiederum ermöglicht, die Umstände zu verstehen und zu beeinflussen, unter denen er auftritt.

Hier kommt die Anwendung eines Quantenkonzepts namens Berry-Krümmung ins Spiel: Innerhalb der Quantenphysik kann es verwendet werden, um den Elektronenfluss auf natürliche Weise abzulenken (ähnlich wie der Hall-Effekt). Da hierfür kein Magnetfeld erforderlich ist, wird er heute als anomaler Hall-Effekt bezeichnet und kann zur viel effizienteren Steuerung des Stromflusses genutzt werden.

Die Arbeit des Forschers führte zu einem Material, das diesen anomalen Hall-Effekt auch dann zeigt, wenn es zusammengedrückt und gedehnt wird – ein Kennzeichen für mögliche Arbeiten auf dem Gebiet der flexiblen Elektronik. Das Material ist aus Kristallen aufgebaut: entweder Aluminiumoxid- oder Strontiumtitanat-Basisschichten (halber Millimeter dick). Anschließend wird auf diese Schichten eine Atomschicht aus Chromtellurid, einer magnetischen Verbindung, aufgebracht. Durch die Wechselwirkung mit den Basisschichten verleiht die magnetische Verbindung den Kristallschichten Flexibilität.

Aber „flexibel“ bedeutet hier, dass das Material bei Belastung seine Fähigkeit, Elektronen zu leiten, nicht verliert; Sie bewegen sich lediglich auf unterschiedlichen Wegen, wie es die Wechselwirkung zwischen dem anomalen Hall-Effekt und der Berry-Krümmung zulässt. Aufgrund dieser Fähigkeit nennen die Forscher diese Verbindung ein „dehnungsabstimmbares“ Material – weil es die elektrische Leitfähigkeit auf natürliche Weise an die Belastung anpasst, der es ausgesetzt ist. Aus diesem Grund zitieren die Forscher mehrere Anwendungen in einer Reihe hochrelevanter Bereiche.

In der Robotik können dehnungsabstimmbare Materialien für „Soft-Sensoren“ verwendet werden – Sensoren, die sich um vorhandene biologische Elemente (wie zum Beispiel Gehirnneuronen in BCIs [Brain-Computer Interfaces]) strecken können, um sie nicht zu beschädigen oder zu verbessern mit ihnen interagieren. Auch Sensoren, die sich je nach Umwelteinflüssen ausdehnen, oder biegsame Steuerungsmechanismen für künstliche Prothesen werden durch diese Technologie erschlossen – ganz zu schweigen von den Vorteilen für forschende Unternehmen wie Neuralink.

Diese dehnungsabstimmbaren Materialien finden auch Anwendungen in der Datenspeicherung – das dehnbare Material kann unterschiedliche Datenmengen speichern, je nachdem, wie genau es gedehnt wird, was eindeutige Vorteile bei der Dichte und mögliche Vorteile bei der Datenspeicherung mit sich bringen würde.

Natürlich hängt jede neue Technologie von den Kosten ab, wobei die Skalierungskosten ein limitierender Faktor sind. Wie schnell diese Technologie übernommen wird, hängt von vielen Faktoren ab, einschließlich der Kosten der Materialien selbst und davon, wie viel Arbeit erforderlich ist, um die derzeit bestehende CMOS-Fertigungstechnologie (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) anzupassen – diejenige, die in unseren besten CPUs zum Einsatz kommt und GPUs Ihrer Wahl - dazu.

Aber die Kosten werden durch Investitionen gedeckt, und so wie es aussieht, müssen weitere Arbeiten an diesen dehnungsabstimmbaren Materialien durchgeführt werden: Diese ursprüngliche Studie wurde teilweise vom US Research Office, der US National Science Foundation (NSF) und dem Massachusetts Institute of Technology unterstützt Institute of Technology und einer Reihe anderer in den USA ansässiger Regierungs- und Forschungseinrichtungen. Es scheint, dass die dahinter stehende Dynamik etwas fokussierter sein könnte als gewöhnlich.