دسته سوم مغناطیس: انقلابی در طراحی حافظه‌های مغناطیسی و مواد ابررسانا

پژوهشگرها به اولین شواهد قطعی از دسته‌ی سوم مغناطیس موسوم به آلترمغناطیس دست یافته‌اند. این یافته، می‌تواند انقلابی در زمینه‌ی طراحی دستگاه‌های پرسرعت حافظه‌ی مغناطیسی باشد و همچنین قطعه‌‌ی پازل گمشده در ساخت مواد ابررسانای بهتر را پیدا کند.

الیور امین، نویسنده‌ی مطالعه و پژوهشگر پسادکترا در دانشگاه ناتینگهام بریتانیا به لایوساینس گفت:

ما قبلا دو نوع خاصیت مغناطیسی اثبات‌شده داشتیم. فرومغناطیس که طی آن گشتاورهای مغناطیسی که می‌توانید آن‌ها را مانند فلش‌های کوچک قطب‌نما در مقیاس اتمی تصور کنید، همه در یک جهت قرار دارند و آنتی‌فرومغناطیس که در آن گشتاورهای مغناطیسی مجاور در جهت مخالف قرار می‌گیرند و می‌توانید آن را شبیه یک صفحه شطرنج از کاشی‌های متناوب سفید و سیاه درنظر بگیرید.

اسپین‌های الکترون درون جریان الکتریکی باید در یکی از دو جهت باشند و می‌توانند و با این گشتاورهای مغناطیسی یا در جهت مخالف آن‌ها برای ذخیره یا حمل اطلاعات هماهنگ شوند و به این ترتیب اساس دستگاه‌های حافظه‌ی مغناطیسی را تشکیل دهند.

مواد آلترمغناطیسی که برای اولین بار در سال ۲۰۲۲ نظریه‌پردازی شدند، ساختاری بینابین دارند؛ مانند یک ماده ضدفرومغناطیسی، هر گشتاور مغناطیسی واحد در جهت مخالف مجاور خود قرار می‌گیرد؛ اما هر واحد نسبت به این اتم مغناطیسی مجاور کمی پیچ خورده است و در نتیجه خواص فرومغناطیس‌مانندی دارد.

بنابراین آلترمغناطیس‌ها، بهترین خواص مواد فرومغناطیسی و ضدفرومغناطیسی را با یکدیگر ترکیب می‌کنند. آلفرد دال دین، از نویسندگان پژوهش و دانشجوی دکترا در دانشگاه ناتینگهام می‌گوید:

مزایای فرومغناطیس این است که ما یک روش آسان برای خواندن و نوشتن حافظه با استفاده از این دامنه‌های بالا یا پائین داریم؛ اما از آنجا که این مواد دارای خاصیت مغناطیسی خالص هستند، اطلاعات با پاک کردن آهنربای روی آن به آسانی از بین می‌روند.

در مقابل، دستکاری مواد ضدفرومغناطیس برای ذخیره‌سازی اطلاعات بسیار چالش‌برانگیز است. بااین‌حال از آنجایی که خاصیت مغناطیسی خالص آن‌ها صفر است، اطلاعات موجود در این مواد بسیار امن‌تر و سریع‌تر حمل می‌شوند. آلترمغناطیس‌ها از سرعت و انعطاف ضدفرومغناطیس برخوردارند، اما از خاصیت مهم فرومغناطیس‌ها به نام شکستن تقارن معکوس زمانی نیز بهره می‌برند. این خاصیت عجیب تقارن اجسام در حال حرکت رو به جلو و عقب در زمان را بررسی می‌کند. امین می‌گوید:

به عنوان مثال، ذرات گاز به اطراف پرواز می‌کنند و از طریق برخورد تصادفی با یکدیگر، فضا را پر می‌کنند. اگر زمان را به عقب برگردانید، رفتار آن‌ها هیچ تفاوتی نمی‌کند.

مشاهده فوق به معنی حفظ تقارن است. بااین‌حال از آنجا که الکترون‌ها دارای اسپین کوانتومی و گشتاور مغناطیسی هستند، معکوس‌کردن زمان و بنابراین جهت حرکت، اسپین را تغییر می‌دهد و به همین دلیل تقارن شکسته می‌شود. امین دراین باره توضیح می‌دهد:

این دو سیستم الکترونی را در نظر بگیرید: در یکی از آن‌ها زمان به طور عادی در حال پیشرفت است، درحالی‌که دیگری به عقب می‌رود و بنابراین تقارن شکسته می‌شود. این وضعیت عامل به وجود آمدن پدیده‌های الکتریکی مشخص است.

پژوهشگرها به رهبری پیتر وادلی، استاد فیزیک دانشگاه ناتینگهام، از تکنیکی به نام میکروسکوپ الکترونی گسیل نوری برای تصویربرداری از ساختار و خواص مغناطیسی ماده‌ای به نام تلورید منگنز استفاده کردند که قبلا تصور می‌شد ضدفرومغناطیسی است. امین می‌گوید:

ابعاد مختلف مغناطیس بر اساس قطبیدگی پرتوهای ایکس انتخابی روشن می‌شوند. نور قطبی‌شده‌ی دایره‌ای دامنه‌های مغناطیسی مختلفی را که به خاطر شکست تقارن معکوس زمانی ایجاد شدند، آشکار می‌کند. در حالی که پرتوهای ایکس قطبی‌شده‌ی افقی یا عمودی به گروه اجازه می‌دهند جهت گشتاورهای مغناطیسی را در سراسر ماده اندازه‌گیری کنند. با ترکیب نتایج هر دو آزمایش، پژوهشگرها اولین نقشه از دامنه‌ها و ساختارهای مغناطیسی مختلف را در یک ماده‌ی آلترمغناطیسی ایجاد کردند.

تیم پژوهشی پس از اثبات مفهوم آلترمغناطیسی، با دستکاری ساختارهای مغناطیسی داخلی از طریق یک تکنیک چرخه‌ی حرارتی کنترل‌شده، مجموعه‌ای از دستگاه‌های آلترمغناطیسی را ساختند. امین می‌گوید:

ما توانستیم این بافت‌های گردابی عجیب و غریب را در دو دستگاه شش ضلعی و مثلثی‌شکل دهیم. این گرداب‌ها در داخل اسپینترونیک به عنوان حامل‌های بالقوه‌ی اطلاعات بیشتر مورد توجه قرار گرفته‌اند، بنابراین این اولین نمونه از چگونگی ساخت یک دستگاه کاربردی بود.

به گفته‌ی پژوهشگران، قدرت تصویربرداری و کنترل نوع جدید خاصیت مغناطیسی می‌تواند با افزایش انعطاف و سرعت و سهولت کاربرد، تحولی را در زمینه‌ی طراحی دستگاه‌های حافظه‌ی نسل بعدی رقم بزند.

مطالعه در مجله‌ی نیچر منتشر شده است.