کشف نوع جدیدی از مغناطیس توسط دانشمندان MIT؛ انقلابی در حافظه‌های نسل آینده

1

دانشمندان فیزیک در مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) موفق به مشاهده نوع تازه‌ای از مغناطیس در ماده‌ای به نام یدید نیکل (NiI₂) شدند. این بلور دوبعدی ویژگی‌هایی ترکیبی از مغناطیس‌های رایج و مغناطیس‌های پنهان و ظریف دارد، اما در عین حال، الگویی مارپیچی و منحصر‌به‌فرد را در سطح اتمی شکل می‌دهد.

شناسایی و کنترل مغناطیس p-wave

دکتر چیان سونگ، پژوهشگر در آزمایشگاه مواد MIT، به همراه تیمش برای نخستین بار مغناطیس p-wave را در ورقه‌های ساخته‌شده از یدید نیکل شناسایی و کنترل کردند. آن‌ها موفق شدند با استفاده از میدان الکتریکی بسیار ضعیف، الگوی چرخش مارپیچی اسپین‌ها را تغییر دهند.

تفاوت مغناطیس جدید با حالت‌های کلاسیک

مغناطیس‌های فرومغناطیسی و آنتی‌فرومغناطیسی

مغناطیس‌های فرومغناطیسی، مانند آهن‌رباهای یخچالی یا سوزن قطب‌نما، دارای اسپین‌هایی هستند که در یک جهت قرار دارند. در مقابل، مغناطیس‌های آنتی‌فرومغناطیسی دارای اسپین‌هایی متناوب هستند که اثر یکدیگر را خنثی می‌کنند.

ترکیب ویژگی‌ها در مغناطیس p-wave

مغناطیس p-wave ویژگی‌های هر دو حالت را در خود دارد: از یک سو دارای جهت‌گیری ترجیحی اسپین است، از سوی دیگر به دلیل ساختار مارپیچی خود، به لحاظ مغناطیسی متعادل باقی می‌ماند.

ساختار مارپیچی اتم‌های نیکل

تولید ورقه‌های بلوری یدید نیکل

پژوهشگران ورقه‌های تک‌بلور از یدید نیکل ساختند که ضخامت آن‌ها فقط چند نانومتر بود. در این ساختار، اسپین‌های اتم‌های نیکل به صورت مارپیچی چیده شده‌اند که می‌توانند چرخش چپ‌گرد یا راست‌گرد داشته باشند.

آزمون‌های نوری و الکترونی

با استفاده از نور قطبیده مدور، محققان نشان دادند که اسپین الکترون‌ها با جهت مارپیچ مغناطیسی ماده همسو می‌شود. این یافته، وجود مغناطیس p-wave را تأیید کرد.

دستیابی به کنترل مارپیچ مغناطیسی با میدان الکتریکی

چرخاندن دست‌گردی مارپیچ

پژوهشگران با اعمال ولتاژ بسیار کم توانستند جهت مارپیچ مغناطیسی را تغییر دهند. زمانی که میدان الکتریکی با جهت مارپیچ همسو بود، ساختار مارپیچی از چپ‌گرد به راست‌گرد تغییر کرد که باعث تغییر مسیر چرخش اسپین‌ها نیز شد.

بازده بالاتر نسبت به الکترونیک سنتی

ریکاردو کومین از MIT توضیح داد که این روش کارآمدتر از جابه‌جایی بار الکتریکی است، زیرا فقط اسپین‌ها جابه‌جا می‌شوند، نه بارها. به همین دلیل، اتلاف گرما به‌شدت کاهش می‌یابد.

کاربردهای بالقوه در حافظه‌های نسل آینده

ذخیره‌سازی داده با استفاده از اسپین

فناوری «اسپین‌ترونیک» به جای بار الکتریکی، از اسپین الکترون برای ذخیره اطلاعات استفاده می‌کند. این رویکرد می‌تواند حافظه‌هایی متراکم‌تر، سریع‌تر و با مصرف انرژی بسیار کمتر ایجاد کند.

کاهش چشمگیر مصرف انرژی

سونگ اشاره کرد که کنترل مغناطیس p-wave با میدان الکتریکی ضعیف می‌تواند تا پنج مرتبه بزرگی انرژی را ذخیره کند.

تأیید تئوری‌ها توسط سایر پژوهشگران

لیبور شمی‌کال از گروه ماکس پلانک این یافته‌ها را تأیید کرده، آن‌ها را همسو با پیش‌بینی‌های نظری دانست و آن‌ها را دریچه‌ای به سمت مغناطیس‌های غیرمعمول آینده خواند.

چالش دمای پایین

محدودیت در دمای عملیاتی

در حال حاضر، اثرات این نوع مغناطیس تنها در دماهای بسیار پایین (زیر ۶۰ کلوین یا حدود ۳۴۶- درجه فارنهایت) قابل مشاهده هستند که سردتر از نیتروژن مایع است. کومین اشاره کرد که دستیابی به عملکرد در دمای اتاق، چالش بعدی این حوزه است.

نقش تقارن و ساختار اتمی

اهمیت شکست تقارن وارونگی

در مغناطیس p-wave مانند یدید نیکل، شکست تقارن وارونگی (یعنی ساختار اتمی در حالت وارونه یکسان نیست) موجب ایجاد پیوند بین اسپین و میدان الکتریکی می‌شود. این ویژگی امکان کنترل مغناطیس با ولتاژهای پایین را فراهم می‌کند، چیزی که در مغناطیس‌های سنتی ممکن نیست.

موانع در استفاده عملی از مغناطیس p-wave

چالش پایداری در شرایط واقعی

بسیاری از حالت‌های مغناطیسی عجیب تنها در دمای بسیار پایین ظاهر می‌شوند یا در شرایط محیطی ناپایدار هستند. برای استفاده عملی، مواد باید ساختار بلوری مناسب، ویژگی‌های اسپین خاص و مقاومت بالا در برابر گرما و تنش داشته باشند.

نیاز به همکاری میان‌رشته‌ای

پیشرفت در این زمینه نیازمند همکاری نزدیک میان فیزیک‌دانان تجربی، دانشمندان مواد و مهندسان ابزار است. توسعه ترکیبات مناسب، بدون این همکاری ممکن نخواهد بود.

مطالعات پیشین و ابزارهای پیشرفته

بهره‌گیری از محاسبات پیشرفته

این پژوهش از ابزارهایی مانند محاسبات اصول اولیه و تحلیل تقارن بهره برده است. نتایج به‌دست‌آمده، کنترل الکتریکی مغناطیس p-wave را در نوعی ماده چندقطبی نوع دوم تأیید می‌کند.

سابقه تحقیقاتی روی یدید نیکل

پیش‌تر نیز یدید نیکل در مطالعات مربوط به مغناطیس مارپیچی و مواد چندقطبی بررسی شده بود. پژوهش جدید بر پایه تلاش‌های چندساله برای درک تعامل بین چرخش‌های مارپیچی و قطبیت الکتریکی بنا شده است.

چشم‌انداز کاربردی در دمای اتاق

شناسایی مواد با عملکرد در دمای معمولی

دانشمندان اکنون به دنبال موادی هستند که ویژگی‌های مشابه مغناطیس p-wave را در دمای اتاق نشان دهند. حافظه‌ها یا پردازنده‌های اسپین‌ترونیکی در آینده می‌توانند از چنین مغناطیس‌های کنترل‌پذیر و کارآمد بهره ببرند.

تعامل پرقدرت نظریه و آزمایش

این پژوهش، نقطه تلاقی مهمی میان نظریه و آزمایش است و راه را برای کاربردهای عملی هموار می‌کند. به نظر می‌رسد که ما وارد دوره‌ای جدید در استفاده از اسپین الکترون در فناوری شده‌ایم.

تحقیقات بین‌المللی

مغناطیس p-wave فراتر از MIT مورد توجه قرار گرفته است. گروه‌های پژوهشی در اروپا و آسیا نیز در حال بررسی حالت‌های مغناطیسی مشابه در مواد دوبعدی دیگر هستند تا امکان استفاده در دمای اتاق را فراهم کنند.

همگرایی فیزیک، علم مواد و مهندسی کوانتوم

این حوزه در تقاطع فیزیک ماده چگال، سنتز مواد و مهندسی کوانتومی قرار دارد. پیشرفت در آن وابسته به داده‌های باز، ابزارهای مدلسازی متن‌باز و همکاری‌های بین‌المللی و میان‌رشته‌ای است.

این مطالعه در نشریه Nature منتشر شده است.