En ny metod för att kombinera magnetiska element med halvledare – som är viktiga material för datorer och andra elektroniska enheter – har presenterats av en forskargrupp ledd av California NanoSystems Institute vid UCLA.
Forskarna visade att det går att producera halvledarmaterial som innehåller upp till 50 % magnetiska atomer, medan dagens metoder ofta är begränsade till en koncentration av magnetiska atomer på högst 5 %. Med hjälp av sin process skapade teamet ett bibliotek med mer än 20 nya material som kombinerade magnetiska element som kobolt, mangan och järn med en rad olika halvledare.
Studien visade också att den nya strategin kan användas för att införliva magnetiska element i supraledare, en klass av material som under vissa förhållanden låter elektroner passera genom dem utan motstånd. I andra experiment tillsattes magnetiska atomer till topologiska isolatorer, som är ämnen som beter sig som isolatorer inuti men låter elektroner flöda fritt på ytan.
I tester som inkluderade atomavbildning och magnetiseringsmätningar fann forskarna bevis för att de nya materialen tillverkade med supraledare och topologiska isolatorer behöll sina exotiska egenskaper samtidigt som de utvecklade ett nytt magnetiskt beteende. Studien är publicerad i tidskriften Nature.
Strävan efter att integrera magnetism i halvledare har pågått i årtionden, men hittills har resultaten varit blygsamma. Nuvarande tekniker innebär att en liten del av atomerna i halvledare ersätts med magnetiska atomer. Över en kritisk koncentrationsgräns på cirka 5 % tenderar dock de magnetiska atomerna att klumpa ihop sig på ett sätt som underminerar förmågan att kontrollera materialens magnetiska och elektroniska egenskaper.
Halvledare med kontrollerbara magnetiska egenskaper skulle kunna utgöra grunden för spintronik (teknik som fungerar utifrån en egenskap hos elektroner som kallas spinn), på samma sätt som traditionell elektronik fungerar utifrån elektroners laddning. Spinn erbjuder ett nytt sätt att lagra och bearbeta information genom att använda elektronens spinnriktning – antingen ”upp” eller ”ner” – som små stavmagneter som vänds mot norr eller söder.
Spintronik används redan i teknik som läshuvuden som läser data från hårddiskar i datorer och andra enheter. Till skillnad från konventionell elektronik alstrar spintroniska komponenter inte överskottsvärme, vilket är ett stort hinder för att packa in mer kraft i mindre chip. Genom att övervinna denna begränsning kan spintronik leda till framtida enheter som är mer kraftfulla, kompakta och energieffektiva, eller till och med enheter med helt nya funktioner.
Magnetiska material som tillverkas med den nya metoden kan också fungera som grundmaterial för framtida kvantdatorer. Sådana enheter förväntas kunna utföra beräkningar som idag är omöjliga, simulera komplexa naturfenomen på en nivå som traditionella datorer inte klarar av och möjliggöra oknäckbar cybersäkerhet.
Forskarnas teknik innebär att man växelvis staplar atomärt tunna skikt av halvledare och självorganiserade skikt av magnetiska atomer. Denna skiktade arkitektur gör att varje komponent behåller sin ordnade struktur och sina inneboende egenskaper samtidigt som nya kollektiva beteenden uppstår.
Teamets process kan ge en mångsidig materialplattform för framtida spintroniska enheter som kan göra mer än dagens elektronik, med överlägsen energieffektivitet. Till exempel förbrukar dagens populära artificiella intelligenssystem enorma mängder el och vatten. Framtida datorer som använder spintronik kan ha AI-applikationer som är mer kraftfulla samtidigt som de undviker oroande koldioxidavtryck och förbrukning av viktiga resurser.
Exotiska material som kombinerar halvledar- eller supraledande egenskaper med magnetism kan också bidra till att höja temperaturen vid vilken kvantdatorer fungerar till mer praktiska nivåer – till skillnad från dagens system som kräver extremt kalla förhållanden.
I grundforskning kan nya material som kombinerar halvledare och magnetism bidra till att förbättra förståelsen av de grundläggande krafter och interaktioner som ligger till grund inte bara för avancerad teknik utan också för naturen själv.
Mer information: Jingxuan Zhou et al, A cation-exchange approach to tunable magnetic intercalation superlattices, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09147-z
