Mallinnus kyseenalaistaa universaalisuuden magnetismissa

Tutkimusta johtaneen laskennallisen fysiikan professori Lasse Laursonin mukaan tulos on tärkeä materiaalifysiikan ja statistisen fysiikan rajapinnassa tapahtuvan teoreettisen fysiikan tutkimuksen kannalta, sillä se avaa uuden tutkimuslinjan, jossa aiemmin universaaleiksi arveltuja ilmiöitä tarkastellaan uudessa valossa. Aiemmista malleista on puuttunut nyt oleellisiksi osoittautuneita yksityiskohtia.

– Kyse on siitä, että olemme kehittäneet uuden tavan mallintaa rajapintoja ja niiden liikettä epäjärjestyneissä ferromagneeteissa. Käyttämällä tätä uutta mallia, pystyimme osoittamaan, että rajapintojen dynamiikan luonne riippuu siitä, kuinka voimakasta magneetin sisältämä epäjärjestys on, Laurson kertoo.

Uuden mallin kehitti Laursonin johtamassa Complex Systems -tutkimusryhmässä työskennellyt tutkijatohtori Audun Skaugen. Aiemmat mallit ovat kuvanneet ferromagneettisissa ohutkalvoissa esiintyviä viivamaisia rajapintoja eräänlaisina kuminauhoina, joiden elastisuus pyrkii suoristamaan niitä, kun taas vuorovaikutus epäjärjestyksen kanssa pyrkii tekemään rajapinnoista karheita. Epäjärjestyksen voimakkuus vaikuttaa tällaisissa malleissa siihen, kuinka voimakasta rajapinnan karheus on, mutta esimerkiksi ulkoisella magneettikentällä aikaansaadun rajapintojen dynamiikan tilastollisten ominaisuuksien on suurella mittakaavalla ajateltu olevan universaaleja, eli riippumattomia esimerkiksi epäjärjestyksen voimakkuudesta. 

– Mallinnuksemme osoitti, että rajapintojen tietyt sisäiset vapausasteet, joita aiemmissa malleissa ei ole huomioitu, vaikuttavat keskeisellä tavalla rajapintojen dynamiikkaan. Nämä sisäiset vapausasteet vuorovaikuttavat magneetin sisältämän epäjärjestyksen kanssa tavalla, joka johtaa epäjärjestyksen voimakkuudesta riippuvaan dynamiikkaan, Laurson sanoo.

Universaalisuuden käsite on fysiikan kulmakiviä, erityisesti tutkittaessa aineen olomuodon muutoksia statistista fysiikkaa käyttäen. Vuorovaikuttavista osista (atomeista, molekyyleistä, jne.) koostuvien fysikaalisten systeemien suuren mittakaavan käytös ja ominaisuudet eivät usein riipu läheskään kaikista systeemin mikroskooppisista yksityiskohdista – käytös on siis jossain määrin universaalia, yksityiskohdista riippumatonta.

– Toisin kuin universaalisuusparadigma antaisi ymmärtää, magneettisten rajapintojen dynamiikan luonne epäjärjestyneissä ferromagneeteissa riippuu ratkaisevasti epäjärjestyksen voimakkuudesta. Magneetissa tämä tarkoittaa sitä, kuinka paljon siinä on erilaista ”likaa” tai muita vikoja, hän lisää.

Malli mahdollistaa suuremman mittakaavan numeeriset simulaatiot

Tutkimus kuuluu magnetismin alaan. Magneettinen rajapinta on ferromagneeteissa esiintyvien magneettisten alkeisalueiden välinen rajapinta, joka erottaa ferromagneetin eri suuntaan magnetoituneita alkeisalueita toisistaan.

– On esitetty, että ferromagneettisia nanolankoja voisi käyttää muistipiireinä tietokoneissa siten, että informaatiota koodataan langassa oleviin magneettisiin alkeisalueisiin. Siinä paikallisen magnetisaation suunta on yhtä kuin bitti, mutta meidän tutkimuksemme fokus on muissa asioissa, Lasse Laurson selventää.

Tutkimus on luonteeltaan vahvasti perustutkimusta. Vaikka tutkimuksella ei haetakaan suoria käytännön sovelluksia, Laurson näkee kehitetyllä mallilla lukuisia sovelluskohteita magneettisten rajapintojen tutkimuksessa ylipäätään.

– Mallin avulla pystytään saavuttamaan numeerisissa simulaatioissa pari kertaluokkaa suurempia systeemin kokoja kuin yleisesti käytettävällä mikromagneettisella simulaatiomenetelmällä, tarkkuuden juurikaan kärsimättä, hän havainnollistaa.

Tutkimus julkaistiin arvostetussa Physical Review Letters -lehdessä 3.3.2022.

Lisätiedot

Lasse Laurson
050 545 5387
lasse.laurson [at] tuni.fi