En klar majoritet av världens samlade informationsmängd lagras idag i ett magnetiskt medium. Men mängden data fortsätter att växa med febril hastighet och dagens teknik kan snart vara föråldrad. Det behövs en ny och djupare förståelse av magnetiska fenomen för att skapa förutsättningar för nästa generation informationsteknologi.
Projektanslag 2018
Dynamic Phenomena of Magnetic Materials
Huvudsökande:
Olle Eriksson, professor i teoretisk magnetism
Medsökande:
Uppsala universitet
Erik Sjöqvist
KTH
Anna Delin
Lärosäte:
Uppsala universitet
Beviljat anslag:
22,2 miljoner kronor under tre år
Redan på 1960-talet myntades begreppet ”information overload”. Sedan dess växer informationsberget i en takt som inte visar några tecken på att minska, säger Olle Eriksson, professor i teoretisk magnetism vid Uppsala universitet.
– Mänsklighetens totala informationsmängd kommer att ha fördubblats inom 18 månader och den mängden kommer i sin tur att vara fördubblad efter ytterligare 18 månader. Vi ser alltså hur behovet att lagra information växer enormt.
Grundbulten i IT-samhället är magnetiska material. Säg magneter och många tänker på kompassnålar eller kylskåpets färgglada magnetfigurer. Men det är under skalet på våra datorer och i lagring på det så kallade molnet som magnetiska material gör den stora samhällsnyttan i det fördolda. Över 80 procent av all information sparas idag med hjälp av magnetiska material.
Den explosiva tillväxten av data kan leda till att dagens teknik snart slår i taket.
– Behovet av mer och snabbare datalagring ökar hela tiden. Vi kan också göra stora miljövinster med en energieffektivare informationsteknik, säger Olle Eriksson.
En teoretisk djupdykning
För att komma vidare krävs ny teoretisk kunskap och det är syftet bakom ett forskningsprojekt finansierat av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse. De närmaste åren väntar en djupdykning i frågor som rör dynamiska fenomen hos magnetiska material. I projektet medverkar sex seniora forskare vid Uppsala universitet och KTH samt ett antal postdoktorer och doktorander.
Forskarna ska bland annat utveckla nya beräknings- och simuleringsmetoder, berättar Anders Bergman, en av medarbetarna i projektet.
– Sedan tidigare har vi en lång tradition av att studera dynamik i magnetiska system genom att titta bara på magnetismen, men nu vill vi även titta på hur atomerna i materialet rör sig.
Bergman spelar upp en filmsnutt som illustrerar grundkonceptet. Skärmen visar två bollar samt röda och blå pilar. Bollarna motsvarar atomer medan pilarna representerar magnetiska spinn. Filmen åskådliggör att det pågår flera växelverkningar samtidigt, dels en magnetisk, dels mellan själva atomerna. Växelverkan mellan de röda och blå spinnen är beroende av hur nära atomerna ligger. När spinnen börjar rotera ändras den magnetiska växelverkan. Nyckeln till en djupare förståelse ligger i kopplingen mellan spinnen och atomerna.
– Det kallas för spinn- och gitterdynamik och tanken är att fånga upp så många effekter som möjligt.
Från det lilla till det stora
Projektet fokuserar på en metodik som kallas multiskalmetoder. Idén är att först lösa problemet så exakt som möjligt på den lilla skalan. I nästa steg kopplar forskarna problemet till en större längd- och tidsskala och något mindre noggrannhet, bland annat för att det ska vara praktiskt möjligt att bearbeta problemet och för att realistiska experiment kräver större skalor.
– Systemet med två atomer är gjort för att man ska få en konceptuell bild, men för att göra något som är experimentellt relevant behövs förstås miljontals atomer, inflikar Olle Eriksson.
Multiskalmetoder har förekommit i andra fysik- och kemiämnen, men är ovanliga i forskning på magnetiska material. En stor del av projektet går därför ut på att utveckla multiskalmetoderna.
– Vi har hittat en nisch där vi är unika och där vi kan utveckla metoder som senare kan tillämpas av experimentella kollegor runtom i världen.
Lovande virvlar för framtida elektronik
Projektet tar även upp en rad nya och omdiskuterade magnetiska fenomen. Ett exempel är de partikelliknande magnetiseringsvirvlar som kallas skyrmioner. Virvlarna har förmågan att stabiliseras i flera material och är samtidigt relativt lätta att styra med pålagda strömmar, berättar forskaren Manuel Pereiro.
– Här finns en potential att skapa framtidens elektronik. Skyrmioner kan liknas vid pyttesmå partiklar och genom att utforma kollisioner mellan dem så kan vi styra dem i olika riktningar och generera elektroniska grindar. Men mycket mer forskning och förståelse för dessa fenomen krävs innan tekniken blir industriellt relevant.
Gamla problem kan få en lösning
Förhoppningar finns också att lösa problem som har förbryllat forskarvärlden i decennier. År 1996 gjordes ett experimentellt genombrott med så kallad ultrasnabb spinndynamik i Strasbourg. Två forskare lyckades studera strukturen på nickel och dess magnetiska respons på en skala av pikosekunder, alltså tidsskalan 10 upphöjt till -12, eller ofattbara en miljondels miljondels sekund. Fenomenet saknar fortfarande en vetenskaplig förklaring, men möjligheten finns att magnetism i sådana svindlande hastigheter kan bana väg för nästa generation ultrasnabba datorer, berättar forskaren Danny Thonig.
– Projektet är helt och hållet nyfikenhetsdrivet och syftar till att öka den teoretiska förståelsen, men det skulle förstås vara ett superbt genombrott om vi lyckas komma fram till en lösning som kan förbättra informationsteknologin och göra saker i IT-världen smartare och snabbare än idag, säger Olle Eriksson.
Text Nils Johan Tjärnlund
Bild Magnus Bergström
