Plika akimi nematomos medžiagos taps pamatu naujoms technologijoms: FTMC fizikas dr. Vilius Vertelis pradeda vadovauti daug žadančiam projektui

Kai medžiaga tampa vos kelių atomų storio, jos savybės gali pasikeisti taip stipriai, kad atsiveria visai naujos technologinės galimybės. Būtent tokas medžiagas artimiausius trejus metus tirs FTMC mokslininkas dr. Vilius Vertelis, pirmąkart vadovausiantis mokslinei komandai.

Jos tikslas – priartinti fundamentinius atradimus prie realių technologijų, kurios ateityje galėtų būti naudojamos jutikliuose, atminties įrenginiuose ar naujos kartos elektronikoje.

Kelias nuo mokslinio atradimo iki veikiančio prietaiso reikalauja ne tik suprasti medžiagos savybes, bet ir išmokti ją patikimai bei pakartojamai pritaikyti didesniu mastu. Tokia ir bus FTMC komandos užduotis.

Gyvybiškai svarbi elektrono savybė – naujoms technologijoms kurti

FTMC Funkcinių medžiagų ir elektronikos skyriaus Nanostruktūrizuotų medžiagų ir jutiklių laboratorijos fizikai pradeda Lietuvos mokslo tarybos finansuojamą projektą, kurio metu bus tyrinėjamos itin plonos dvimatės (2D) magnetinės medžiagos – chromo telūridas (CrTe₂) bei geležies galio telūridas (Fe₃GaTe₂) – ir kuriamos iš jų sudarytos struktūros.

„2D feromagnetinės medžiagos yra sluoksniuoti kristalai, sudaryti iš atominių lakštų; kiekvienas jų yra vos kelių atomų storio. Lakšto viduryje išsidėstę magnetiniai atomai, pavyzdžiui, geležis ar chromas, o iš abiejų pusių juos dengia kitų elementų, pavyzdžiui, telūro, atomų sluoksniai. Tuos sluoksnius tarpusavyje laiko labai silpnos van der Valso jėgos, todėl juos galima atskirti net paprasčiausia lipnia juostele.

Didelis kristalas atrodo kaip pilkšvas metališkai blizgantis žvynelis. Atskirti ploniausi sluoksniai yra tokie ploni, kad juos įžiūrėti galima tik mikroskopu, kur jie matomi kaip skirtingų spalvų dėmelės ant padėklo, kuriuo jie pernešami“, – pasakoja V. Vertelis.

(Dr. Vilius Vertelis. Gabrieliaus Mackevičiaus / FTMC nuotr.)

Vilius su mokslininkų grupe derins skirtingomis savybėmis pasižyminčius atominius sluoksnius taip, kad jų sąveika leistų valdyti elektros srovę ir magnetines savybes. Pasak V. Vertelio, tokios struktūros gali būti svarbios spintronikai – technologijų krypčiai, kurioje informacija valdoma pasitelkiant įdomią kvantinę elektrono savybę – sukinį.

Jis taip pavadintas, nes dėl jo elektronas visada elgiasi taip, tarsi suktųsi aplink savo ašį. Iš tiesų sukinys yra vidinis elektrono „kompasas“, kuris visada rodo tik aukštyn arba žemyn.

Ši savybė labai svarbi: dėl jos ne tik egzistuoja magnetai, bet ir visas mus supantis pasaulis: pagal fizikos dėsnius, vienoje bet kurio atomo orbitalėje gali egzistuoti tik du elektronai – ir tik tada, kai vieno „magnetukas“ rodo aukštyn, o kito – žemyn. Jei to nebūtų, neturėtume skirtingų cheminių elementų, nevyktų jokios cheminės reakcijos, o visa medžiaga Visatoje tiesiog „sukristų“ į vientisą, negyvą tankų rutulį.

„Elektronika man primena šaškes, o spintronika – šachmatus, – sako FTMC mokslininkas. – Šaškės gana panašios viena į kitą, o šachmatų figūros žaidime turi papildomų savybių ir gali elgtis skirtingai. Spintronikoje panašiai yra su elektronu: svarbus tampa ne tik jo elektrinis krūvis, bet ir papildoma savybė – sukinys, dėl kurio elektronas gali elgtis kitaip.“

Pasak fiziko, jei 2D magnetinių medžiagų sistemas pavyktų kurti stabiliai ir didesniame plote, jos galėtų tapti pagrindu naujiems magnetiniams jutikliams, atminties technologijoms ar kitokiems mažos galios elektronikos sprendimams.

„Pavyzdžiui, magnetinė atmintis (MRAM). Joje informacija saugoma ne krūvyje, kaip dabartinėje kompiuterių atmintyje, o įmagnetėjimo kryptimi, todėl duomenys išlieka net ir išjungus lusto maitinimą. Prietaisas gali „užmigti“ visiškai nenaudodamas energijos ir akimirksniu tęsti darbą. Iš atominio storio dvimačių feromagnetikų sudarytos atminties ląstelės galėtų būti plonesnės ir efektyvesnės už dabartines, o duomenims įrašyti reikėtų mažiau energijos. Tai ypač svarbu daiktų internetui ar nešiojamiems prietaisams, kurie turi ilgai veikti iš mažos baterijos“, – paaiškina tyrėjas.

Pasak jo, didžiausia projekto sėkmė būtų sukurti centimetro dydžio 2D magnetinę struktūrą, kuri stabiliai veiktų kambario temperatūroje. Vienas centimetras atrodo labai mažai, tačiau toks rezultatas šioje tyrimų srityje reikštų didžiulį žingsnį – nuo pavienių eksperimentinių bandinių link technologijų, kurias ateityje būtų galima gaminti platesniu mastu.

„Bet ir mažesni pasiekimai, vedantys šio tikslo link, bus svarbūs“, – sako Vilius.

(Dr. Vilius Vertelis. Gabrieliaus Mackevičiaus / FTMC nuotr.)

Žengimas į naują sritį

Dr. V. Verteliui tai – pirmasis projektas, kuriam jis vadovauja. Prieš penkerius metus apgynęs daktaro disertaciją, vėliau mokslininkas stažavosi Prancūzijos-Vokietijos mokslinių tyrimų institute ISL, kurį bendrai valdo Prancūzijos gynybos inovacijų agentūra ir Vokietijos gynybos ministerija. Pastaruosius keletą metų fizikas vėl vykdo mokslinę karjerą Lietuvoje: Pasak Viliaus, vienas didžiausių FTMC privalumų yra tai, kad vienoje vietoje susibūrę daug skirtingų kompetencijų specialistų, taip pat – kad jie turi moderniausią mokslinių tyrimų įrangą:

„Jei vienas metodas neveikia, galima ieškoti kito. Jei kyla klausimas, dažnai už kelių kabinetų ar laboratorijų yra žmogus, kuris su panašia problema jau yra susidūręs.

FTMC turime labai plačią infrastruktūrą ir daug skirtingų sričių tyrėjų. Tai leidžia turėti ne tik planą A, bet ir planus B ar C. Visada yra su kuo pasitarti ir kartu ieškoti sprendimo. Būtent tokia aplinka leidžia imtis sudėtingesnių klausimų, kurių viena tyrėjų grupė viena pati galėtų ir neaprėpti.“

Pradėdamas šį projektą ir būdamas atsakingas už savo komandą, FTMC mokslininkas vis dėlto neslepia jaudulio ir savo būseną vadina jo paties sugalvotu žodžiu „nervuziazmas“ – nervingumo ir entuziazmo mišiniu. Tačiau, pasak pašnekovo, labiausiai jaudina ne pats vadovavimas.

„Moksle beveik niekada iki galo nežinai, kaip kažką padaryti – nes tai, ką bandai padaryti, yra nauja. Pats tyrimo objektas dažnai yra nežinomybė. Mokslas ir yra metodiškas būdas tą nežinomybę mažinti“, – sako V. Vertelis.

(Dr. Vilius Vertelis. Remigijaus Juškėno  / FTMC nuotr.)

Todėl šiame projekte ypač svarbi bus komanda. Joje susijungs skirtingų sričių jaunieji tyrėjai, doktorantai ir podoktorantūros stažuotojai – vieni dirbs su naujų 2D medžiagų auginimu, kiti formuos itin plonus sluoksnius, treti tirs jau sukurtų struktūrų elektrines ir magnetines savybes.

Projektas Lietuva neapsiribos – bus mezgamas tarptautinis bendradarbiavimas ir kartu bus bandoma atsakyti į esminį klausimą: ar vos kelių atomų storio medžiagos gali tapti realiai veikiančių ateities technologijų pagrindu?

Projekto pavadinimas: „Lengvai išplečiamos 2D magnetinių tunelinių jungčių technologijos vystymas“. Finansuojama Lietuvos mokslo tarybos pagal priemonę 12-003-03-06-01 „Mano pirmoji tyrimų komanda“.

Parengė Tatjana Švec ir Simonas Bendžius