Forskere opdager ny egenskab ved magnetisme, som kan ændre vores computere

Grænsen for, hvor meget man kan skrumpe komponenterne til en computer, er ved at være nået, så længe informationerne bliver båret af elektroner som i dag. Men muligvis kan man i stedet bruge magnetisme og derved udvikle computere, der både er kraftigere og billigere. Det er et af perspektiverne i en opdagelse, som forskere fra Niels Bohr Institutet (NBI), Københavns Universitet, har offentliggjort i dag i det anerkendte videnskabelige tidsskrift Nature Communications.

”En computer virker ved, at man sender strøm gennem en mikrochip. Selvom det er en lille mængde strøm, vil den ikke kun transportere information, men også opvarme omgivelserne lidt. Når man har et meget stort antal komponenter siddende tæt sammen, bliver varmen et problem. Det er en af årsagerne til, at vi er ved at have nået grænsen for, hvor meget man kan skrumpe komponenterne til en computer. Hvis man i stedet benytter sig af magnetisme, undgår man problemerne med overophedning,” siger Kim Lefmann, professor i faststoffysik ved NBI.

”Vores opdagelse er ikke en direkte nøgle til at fremstille en computer baseret på magnetisme. Men vi har afdækket en fundamental egenskab ved magnetisme, som man er nødt til at have styr på for at kunne få en sådan computer til at virke.”

Kvantemekanik stopper acceleration

For at forstå opdagelsen må man vide, at magnetiske materialer ikke nødvendigvis er ensrettede. Det vil sige, at der kan forekomme områder med magnetiske nordpoler og sydpoler ved siden af hinanden. I fagsproget taler man om domæner, og grænsefladen mellem et nordpol-domæne og et sydpol-domæne kalder man en domæne-væg.

Selvom domæne-væggen ikke er en fysisk væg, men et virtuelt fænomen, opfører den sig på mange måder som en partikel. Dermed tilhører den en gruppe af fænomener i kvantemekanikkens verden, som fysikerne kalder quasi-partikler. Altså partikel-lignende fænomener.

”Det er velkendt, at man kan flytte domæne-væggen ved at påtrykke et magnetfelt. I starten vil den opføre sig på samme måde som en fysisk genstand, der vil accelerere, indtil den rammer jordoverfladen, når den bliver udsat for tyngdekraften. Imidlertid gælder der andre love i kvanteverdenen,” forklarer Kim Lefmann og uddyber:

”På kvanteniveau er partikler ikke kun genstande, de er samtidig bølger. Det gælder også for en quasi-partikel som en domænevæg. Bølgeegenskaberne betyder, at domænevæggens acceleration bliver bremset ned, når den vekselvirker med atomer i omgivelserne. Snart vil den stoppe helt op, og væggens position vil begynde at oscillere.”

Inspireret af schweizisk hypotese

Et tilsvarende fænomen kendes fra elektroner. Her kendes det som Bloch-oscillationer, opkaldt efter den amerikansk-schweiziske fysiker og Nobelpris-modtager Felix Bloch, der opdagede fænomenet i 1929.

I 1996 fremsatte schweiziske teoretiske fysikere den hypotese, at der kunne findes en parallel til Bloch-oscillationen inden for magnetismen. Nu, lidt mere end et kvart århundrede senere, er det så lykkedes for Kim Lefmann og hans kolleger at bekræfte hypotesen. Forskergruppen har studeret bevægelsen af domæne-vægge i det magnetiske materiale CoCl2 ∙ 2D2O.

”Vi har længe været klar over, at det ville være muligt at eftervise hypotesen, men også at det ville forudsætte adgang til neutronspredning. Neutroner har den særlige egenskab, at de ikke er elektrisk ladede, men alligevel reagerer på magnetfelter. Derfor er de ideelle til at ”se” magnetisme,” fortæller Kim Lefmann.

Boost til magnetisk forskning

Neutronspredning kræver imidlertid meget store forskningsanlæg. På verdensplan eksisterer der kun en snes neutronkilder, og konkurrencen om at få tid på anlæggene er hård. Det er en af årsagerne til, at det først nu er lykkedes at få tilstrækkeligt med forsøgsdata til at overbevise redaktørerne af Nature Communications.

”Vi har gennemført vores forsøg dels på NIST i USA, dels ILL i Frankrig. Men fremover bliver betingelserne for magnetisk forskning heldigvis forbedret kraftigt, når forskningsanlægget ESS (European Spallation Source, red.) åbner i Lund i Sverige. Ikke blot er chancerne for forsøgstid bedre, fordi Danmark er medejer af anlægget, men kvaliteten af resultaterne vil blive ca. 100 gange højere, fordi ESS bliver en ekstremt kraftig neutronkilde,” siger Kim Lefmann.

For god ordens skyld understreger forskeren, at en computer baseret på magnetisme ikke må forveksles med en kvantecomputer, selvom der er kvantemekanik indblandet:

”Der er jo store forventninger til, at man i fremtiden vil få kvantecomputere, der kan udføre helt ekstremt komplicerede opgaver. Men selv efter, at vi formentlig får kvantecomputere, vil der stadig være brug for konventionelle computere til at løse mere dagligdags opgaver. Det er her, man eventuelt kan benytte magnetisme til at udvikle computere, som er bedre end de nuværende.”

Den videnskabelige artikel om Bloch-oscillationer for magnetiske domæne-vægge er offentliggjort i det anerkendte tidsskrift Nature Communications 11. maj 2022.