Kas verčia magnetą būti magnetu, ir kaip mes galime valdyti magnetų elgesį? Šiuos klausimus daugelį metų tiria Bufalo (Buffalo) universiteto mokslininkas fizikas teoretikas Igoris Zutičius (Igor Zutic). Jis yra vienas iš tų mokslininkų, kurie tiki, kad magnetai pradės naują revoliuciją skaičiavimuose, jų pagrindu bus kuriami didelės talpos ir mažai energijos naudojantys atminties, duomenų saugojimo ir perdavimo įrenginiai.
Mokslininkas kartu su kolega Džonu Sernu (John Cerne) iš to paties universiteto, kuris tiria magnetizmą eksperimentiškai, žurnalo „Science“ puslapiuose aptaria labai svarbų pasiekimą – Japonijos mokslininkų tyrimą, kuriame jie parodė, kad įmanoma valdyti medžiagos magnetizmą jį įjungiant ir išjungiant.
Medžiagų magnetizmą lemia elektronų turima savybė, vadinama sukiniu. Elektronai turi į viršų arba į apačią nukreiptą sukinį. Medžiaga pasižymi magnetinėmis savybėmis, kai daugelis jos elektronų turi vienodą sukinį. Elektrono sukinys yra panašus į mažytį magnetą, kuris turi šiaurės ir pietų polius.
Japonijos mokslininkai, kurių straipsnis taip pat spausdinamas tame pačiame „Science“ žurnalo numeryje, pridėjo kobalto atomų į titano dioksidą, kad gautų naują medžiagą. Titano dioksidas yra magnetinių savybių neturinti medžiaga. Sukurta naujoji medžiaga, kaip chameleonas, gali transformuotis iš paramagnetiko (magnetizmu nepasižyminti medžiaga) į feromagnetiką (magnetinė medžiaga) kambario temperatūroje. Šis darbas buvo atliktas mokslininkų grupės, kuriai vadovavo tyrėjai iš Tohoku universiteto.
Norėdami gauti virsmą iš vienos medžiagos formos į kitą, mokslininkai paveikė medžiagą elektrine įtampa, sukurdami papildomus elektronus. Kaip Zutičius ir Sernas paaiškino savo straipsnyje, šie papildomi elektronai, vadinami „nešėjais“, yra mobilūs ir perduoda informaciją tarp fiksuotų kobalto jonų, o tai priverčia kobalto elektronus išsidėstyti viena kryptimi.
Zutičius mano, kad galimybė išjungti bei įjungti magnetą yra revoliucinis žingsnis. Jis paaiškino magnetų ar sukinių pagrindu veikiančios technologijos, vadinamos spintronika, pranašumus lyginant su įprastine elektronika. Dabartiniai elektroniniai prietaisai užrašo bei skaito duomenis, atvaizduotus dvejetainiais skaičias – nuliais arba vienetais, kurie grandinėje atitinka elektronų buvimą ar nebuvimą. Informacijos apdorojimui reikia pernešti elektronus iš vienos vietos į kitą, o tam reikia energijos ir šio proceso metu išsiskiria šiluma.
Spintroniniai prietaisai, atvirkščiai, naudoja informacijos saugojimui ir apdorojimui elektronų sukinius. Skirtingi sukiniai (nukreipti į viršų ar į apačią) atitinka nulius ir vienetus, su kuriais proceso metu dirbama. Ateityje siekiant energijos taupymo duomenų apdorojime galėtų būti naudojami prietaisai, kuriuose informacija apdorojama apverčiant elektronus (tiksliau jų sukinius), o ne juos pernešant iš vienos vietos į kitą.
Straipsnyje Zutičius su Sernu rašo, kad magnetai chameleonai gali padėti sukurti labiau universalius tranzistorius ir, tai dar vienas žingsnis link atminties ir loginių įrenginių integracijos, kuriant protingus įtaisus, kurie galėtų būti kiekvieną kartą perprogramuoti kiekvienos užduoties efektyviam darbui užtikrinti.
„Paveikus stipriu magnetiniu lauku galima priversti išsilygiuoti elektronų sukinius puslaidininkiniame tranzistoriuje, - rašo jie. - Panaudojus magnetus chameleonus, toks išsilygiavimas būtu lengvai valdomas ir tam nereikėtų magnetinių laukų. Tai stipriai pakeistų feromagnetų vaidmenį technologijoje.“
Savo „Science“ straipsnyje Zutičius su Sernu pabrėžia, kad elektrinės įtampos panaudojimas puslaidininkyje su įterptais kobalto ar kitos magnetinės priemaišos atomais gali būti tik vienas iš būdų kuriant magnetus chameleonus. Tokias medžiagas paveikus šviesa arba šiluma galima būtų gauti panašų efektą, tai yra išlaisvinti elektronus, kurie perneštų informaciją tarp jonų apie sukinių išsidėstymą. Pirmi tokie šilumos pagrindu veikiantys magnetai chameleonai pirmą kartą buvo pasiūlyti Zutičiaus 2002 metais. Jis kartu su savo kolegomis – Andrejumi Petuchovu (Andre Petukhov) iš Pietų Dakotos Kalnakasybos ir technologijos mokyklos (South Dakota School of Mines and Technology) bei Styvenu Ervinu (Steven Erwin) iš Jūrų laivyno tyrimų laboratorijos (Naval Research Laboratory), išaiškino tokių magnetų veikimą straipsnyje, pasirodžiusiame 2007 metais.
Zutičius paminėjo, kad idėja apie nemagnetinių medžiagų tapimo magnetinėmis jas pakaitinus yra sunkiai suvokiama, prieštaraujanti intuicijai. Mokslininkai seniai manė, kad magnetinės medžiagos su tvarkingai išsidėsčiusiais sukiniais praranda savo magnetiškumą jas pakaitinus. Panašiai kaip kristalinė ledo struktūra dingsta ledui virtus vandeniu, kai padidinama temperatūra.
Tačiau visa esmė yra judančiuose elektronuose. Medžiagos pašildymas atlaisvina daugiau elektronų, kurie gali priversti šalia esančius elektronus pakeisti savo sukinį. Chameleoninių medžiagų pakaitinimas iki tam tikros temperatūros turėtų jas priversti tapti magnetais, mano Zutičius.
