Michał Grzybowski

Magnesy otaczają nas ze wszystkich stron i można znaleźć je w bardzo wielu miejscach – w samochodach, zabawkach, zamkach do szafek, głośnikach, komputerach, elektrowniach, szpitalach.

Nieczęsto zwracamy na nie uwagę i przyzwyczailiśmy się do ich obecności oraz do tego, że czynią nasze życie łatwiejszym. Znajdują one szerokie zastosowanie w wielu urządzeniach, z którymi stykamy się w codziennym życiu. Dzięki nim możemy trwale przechowywać nasze dane w postaci elektronicznej, możliwa jest zamiana energii mechanicznej w elektryczną. Magnesy trwałe zbudowane są z materiałów ferromagnetycznych takich jak żelazo, kobalt, nikiel, ich związki chemiczne lub niektóre związki manganu. Jest to jednak wąska i tylko jedna z wielu grup materiałów magnetycznych. Czy materiały magnetyczne inne niż ferromagnetyki także mogą znaleźć zastosowanie?

1. Moment magnetyczny

Wszystkie materiały złożone są z atomów. Zaś każdy atom zbudowany jest z jądra i elektronów. Elektrony wykazują duży moment magnetyczny (w porównaniu z nukleonami budującymi jądro), który można rozumieć jako pewną małą „porcję” magnetyzmu. Jest to wielkość wektorowa, a więc ma określony kierunek i zwrot w przestrzeni. Moment magnetyczny różnych elektronów w atomie może się sumować zgodnie z regułami dodawania wektorów i zasadami mechaniki kwantowej. Taki całkowity moment możemy przypisać całemu atomowi. I tu dochodzimy do kluczowego momentu. W zależności od tego czy i jak porządkują się momenty magnetyczne atomów względem siebie możemy mówić o różnych typach materiałów bądź o różnych zachowaniach magnetycznych. Warto pamiętać, że w zależności od warunków zewnętrznych (temperatury, ciśnienia itp.) ten sam obiekt może prezentować odmienne zachowania.

2. Ferromagnetyki

Jeśli w danej strukturze krystalicznej atomy są odpowiednio rozmieszczone – a także elektrony w atomach tworzących tę strukturę – możemy mieć do czynienia z sytuacją, w której momenty magnetyczne atomów oddziałują ze sobą bardzo silnie („wyczuwają” swoją obecność) porządkując swoje kierunki i zwroty w tę samą stronę w znacznej objętości materiału. Jeśli jest to proces spontaniczny, który przebiega bez zewnętrznego pola magnetycznego mamy do czynienia z ferromagnetykiem.  To właśnie te materiały nazywamy potocznie magnetycznymi, choć ściśle rzecz biorąc wszystkie substancje wykazują pewne zachowania magnetyczne. W dużej objętości, ferromagnetyki mają tendencję do tworzenia domen, czyli dzielenia się na fragmenty o uporządkowaniu ferromagnetycznym, jednak kierunek i zwrot momentów magnetycznych różni się między domenami. Nawet bardzo niewielkie zewnętrzne pole magnetyczne może uczynić taki materiał jednorodnym magnetycznie – jednodomenowym. W takim przypadku momenty magnetyczne atomów tworzących kryształ (których jest ogromna liczba) sumują się tworząc jeden „duży” wektor namagnesowania. Takie namagnesowanie może porządkować się zgodnie z polem magnetycznym ziemi tworząc igłę kompasu lub może stanowić element komórki pamięci magnetycznej niezbędnej we współczesnej elektronice.

3. Pamięci magnetyczne

Jak działa komórka pamięci, których całe mnóstwo można znaleźć w magnetycznych dyskach twardych (typu HDD – hard disc drive) a także centrach danych wykorzystywanych przez największe portale społecznościowe oraz bazy danych? Wszak to tam są zapisane informacje, zdjęcia i dokumenty, o których często mówimy, że są zapisane w „chmurze”.

Tak naprawdę, gdzieś na świecie, choćby bardzo daleko istnieje fizyczna reprezentacja tej informacji w postaci zero-jedynkowej zapisanej na komórkach pamięci. Pojedyncza komórka pamięci zbudowana jest z ferromagnetyka w taki sposób by jego namagnesowanie przyjmowało co najwyżej dwie orientacje różniące się o 180 stopni. Takie dwa stany mogą reprezentować „0” i „1” w systemie dwójkowym, który umożliwia zapisywanie informacji. (…) 

4. Ograniczenia ferromagnetyków

Wśród zalet pamięci zbudowanej z ferromagnetyków należy wymienić przede wszystkim jej trwałość i brak konieczności dostarczania energii do utrzymania zapisanych informacji. Warto jednak uświadomić sobie pewne jej ograniczenia. Po pierwsze, jeśli narazimy nasz magnetyczny dysk twardy na przypadkowe, duże zewnętrzne pole magnetyczne istnieje niebezpieczeństwo utraty zapisanych tam danych. Podobnie jest z magnetycznymi paskami obecnymi na kartach płatniczych i biletach np. parkingowych lub komunikacji miejskiej. Jeśli taki bilet włożymy do kieszeni z magnetycznym zamkiem lub wraz z zabawką z magnesem – jest bardzo prawdopodobne, że bilet podczas kontroli okaże się nieważny lub nie pozwoli nam wyjechać z parkingu.

Na szczęście karty kredytowe lub bankomatowe projektowane są tak by wykazywały większe pole koercji będąc odpornymi na typowe natężenia pól magnetycznych, które spotykamy w codziennym życiu. Wciąż jednak pozostaje problem dużych pól, które spotykamy rzadziej, ale występują one na przykład w gabinetach badań medycznych metodą rezonansu magnetycznego. Wymazanie informacji zapisanej na nośniku magnetycznym jest spowodowane tym, że ferromagnetyk uporządkuje swoje momenty magnetyczne zgodnie z kierunkiem zewnętrznego pola. Z ciągu zer i jedynek pozostaną same tylko zera lub jedynki.

Informacja magnetyczna jest wymazywana również, gdy temperatura przekroczy pewną krytyczną wartość, zwaną temperaturą Curie (która swą nazwę bierze nie od Marii Skłodowskiej, lecz od jej męża Piotra, który ją badał), inną dla każdego materiału, powyżej której materiał traci swoje uporządkowanie a jego momenty magnetyczne zaczynają chaotycznie dezorganizować się (jest to zachowanie paramagnetyczne – Rys. 5).

Ponadto, w temperaturze pokojowej mamy bardzo ograniczony wybór ferromagnetyków – są to przede wszystkim metale. Próżno szukać tu pożądanych skądinąd półprzewodników. Wreszcie operacja zapisu, czyli zmiany zwrotu namagnesowania zajmuje czas rzędu nanosekund. Może wydawać się, że to szybko, ale biorąc pod uwagę możliwości i potrzeby dzisiejszej elektroniki to wielkość niezbyt imponująca.

Jest jeszcze jeden ważny fakt. Pojedyncza, namagnesowana komórka pamięci, wytwarza swoje pole magnetyczne. Może ono wpływać na sąsiadujące komórki zaburzając niezależny proces odczytu i zapisu. Im większa miniaturyzacja urządzeń, a więc mniejsze komórki znajdujące się bliżej siebie, to zjawisko gra większą rolę uniemożliwiając ekstremalne zwiększanie gęstości zapisu danych, czyli liczby komórek pamięci na jednostkę objętości.

5. Antyferromagnetyki

Wspomniane wyżej ograniczenia pamięci magnetycznych mogą częściowo rozwiązywać materiały zwane antyferromagnetykami. Są one niewrażliwe nawet na znaczne pola magnetyczne. Są bardzo różnorodną grupą materiałów, które mogą być izolatorami, półprzewodnikami lub metalami, występują one naturalnie w przyrodzie (przykładem jest tlenek niklu lub tlenki kobaltu). Ich dynamika obrotów momentów magnetycznych jest aż tysiąckrotnie większa niż ferromagnetyków! Wiele z nich wykazuje wyższe temperatury krytyczne niż ferromagnetyki.

Antyferromagnetyki znane są już od dziesiątek lat, lecz dopiero od niecałej dekady w znacznym stopniu przykuwają uwagę badaczy. Luis Néel, francuski fizyk, który zdobył nagrodę Nobla w 1970 za związane z nimi odkrycia mówił, że choć wydają się one interesujące z badawczego punktu widzenia, wydają się bezużyteczne. Do dziś jedynym ich powszechnym zastosowaniem jest zmiana pola koercji jednej z warstw ferromagnetycznych w głowicach wspomnianych dysków twardych, ale pełnią tam one rolę pomocniczą i zupełnie drugorzędną. Co takiego zmieniło się na przestrzeni prawie 25 lat od pamiętnych słów Néela do dziś, kiedy wydają się jednymi z bardziej intrygujących kryształów w fizyce ciała stałego i wiązane są z nimi nadzieje na zastosowania? (…)

Cały artykuł Michała Grzybowskiego „Antyferroagnetyki – materiały przyszłości dla elektroniki?” przeczytacie w wydaniu 2/2024 'Fizyki w Szkole”