محققان نشانه‌هایی از یک شکل غیرمعمول از مغناطیس را که می‌تواند برای نسل جدیدی از الکترونیک فوق سریع مفید باشد، شناسایی کرده‌اند. اعتبار: AI/ScienceDaily.com.
کامپیوترهای آینده ممکن است به چیزی بیش از بار الکتریکی حمل شده توسط الکترون‌ها متکی باشند. محققان به طور فزاینده‌ای به ویژگی اساسی دیگری از الکترون به نام اسپین علاقه‌مند هستند که می‌تواند راه جدیدی برای جابجایی و پردازش اطلاعات در داخل دستگاه‌های الکترونیکی فراهم کند.
کامپیوترهای معمولی از حرکت بار الکتریکی برای پردازش داده‌ها استفاده می‌کنند. اگر دانشمندان بتوانند به طور قابل اعتمادی اسپین الکترون را نیز کنترل کنند، ممکن است بتوانند رویکردهای کاملاً جدیدی به محاسبات ایجاد کنند که سریع‌تر عمل کرده و انرژی کمتری مصرف کنند.
تیمی تحقیقاتی به رهبری پروفسور ماداب نوپانه از دانشگاه مرکزی فلوریدا (UCF) اکنون ماده‌ای را شناسایی کرده است که می‌تواند به تحقق این امر کمک کند. نوپانه و همکارانش شواهد تجربی از آلترومغناطیس، یک شکل به تازگی شناخته شده از مغناطیس را یافتند که ویژگی‌های مفیدی را مرتبط با دو حالت مغناطیسی بهتر شناخته شده ترکیب می‌کند: فرو مغناطیس و پاد مغناطیس.
نوعی مغناطیس متفاوت
فرو مغناطیس نوعی رفتار مغناطیسی است که از آهنرباهای معمولی آشنا است. در یک ماده فرو مغناطیسی، گشتاورهای مغناطیسی در یک جهت قرار می‌گیرند و یک میدان مغناطیسی کلی ایجاد می‌کنند.
این رفتار می‌تواند در فناوری‌های الکترونیکی ارزشمند باشد، اما یک عیب دارد. فرو مغناطیس‌ها می‌توانند میدان‌های مغناطیسی سرگردان ایجاد کنند که با اجزای اطراف تداخل دارند، که این یک نگرانی فزاینده است زیرا دستگاه‌های الکترونیکی کوچکتر و متراکم‌تر می‌شوند.
پاد مغناطیس‌ها به طور متفاوتی کار می‌کنند. گشتاورهای مغناطیسی آنها در جهت مخالف قرار می‌گیرند و به طور موثری یکدیگر را خنثی می‌کنند و به طور قابل توجهی میدان‌های مغناطیسی سرگردان را کاهش می‌دهند. با این حال، این مواد فاقد برخی از ویژگی‌های الکترونیکی هستند که فرو مغناطیس‌ها را برای کاربردهای فناوری جذاب می‌کند.
آلترومغناطیس‌ها می‌توانند مزایایی از هر دو دسته داشته باشند.
مانند پاد مغناطیس‌ها، می‌توانند بدون ایجاد میدان‌های مغناطیسی سرگردان ناخواسته کار کنند. در عین حال، می‌توانند جریان‌های اسپین ایجاد و تشخیص دهند، به این معنی که حرکت اسپین‌های الکترون در یک ماده. محققان در حال بررسی این هستند که آیا این جریان‌های اسپین می‌توانند در نهایت اطلاعات را از طریق سیستم‌های الکترونیکی آینده حمل کنند.
نوپانه و همکارانش نشانه‌های تجربی از آلترومغناطیس را در Co1/4TaSe2، یک ماده لایه‌ای که حاوی اتم‌های کبالت مغناطیسی است، یافتند. این ماده اکنون می‌تواند به عنوان یک پلتفرم تجربی انعطاف‌پذیر برای مطالعه این حالت مغناطیسی غیرمعمول عمل کند و در عین حال به پیشرفت فناوری‌های الکترونیکی و اسپینترونیکی کمک کند.
"این مواد با توانایی خود برای تولید و تشخیص جریان‌های اسپین بدون اثر منفی تولید میدان‌های سرگردان، از پاد مغناطیس‌های معمولی متمایز می‌شوند." نوپانه می‌گوید. "این ویژگی جدید آنها را برای استفاده در بسیاری از کاربردهای مختلف - از جمله اسپینترونیک، دستگاه‌های حافظه فوق سریع، شبکه‌های تراهرتز و الکترونیک کم مصرف - بسیار مناسب می‌کند."
تشخیص آلترومغناطیس در رفتار الکترون
برای تعیین اینکه آیا Co1/4TaSe2 واقعاً آلترومغناطیس را نشان می‌دهد، محققان نحوه رفتار الکترون‌ها در داخل ماده را بررسی کردند.
آنها از طیف‌سنجی گسیل فتوالکترونی زاویه‌ای (ARPES)، تکنیکی که به محققان اجازه می‌دهد انرژی و حرکت الکترون‌ها را اندازه‌گیری کرده و ساختار الکترونیکی یک ماده را بازسازی کنند، استفاده کردند.
"رویکرد ما استفاده از روش‌های با وضوح بالاتر بود که نسبت به اسپین الکترون حساس نبودند تا شکافت در سطوح انرژی را اندازه‌گیری کنیم." نوپانه می‌گوید. "سپس، ما این اندازه‌گیری را با ARPES حل شده اسپین تکمیل کردیم تا به طور قطعی بگوییم که آیا این شبیه آلترومغناطیس است یا خیر."
اندازه‌گیری‌های اولیه یک شکافت متمایز در نوارهای الکترونیکی ماده را نشان داد. سپس محققان برای بررسی دقیق‌تر به ARPES حل شده اسپین روی آوردند.
این اندازه‌گیری‌ها نشان داد که حالت‌های الکترونیکی جدا شده دارای قطبش اسپین مخالف هستند، که یک امضای مهم مورد انتظار از آلترومغناطیس است.
مشاهده این اثر به سادگی نبود. تکنیک‌های گسیل فوتوالکترون به شدت به شرایط سطح حساس هستند، به این معنی که حتی مقادیر کمی آلودگی می‌تواند سیگنال‌های الکترونیکی مورد نظر دانشمندان را مبهم کند.
همکاران نمونه‌های با کیفیتی از Co1/4TaSe2 تولید کردند، در حالی که گروه نوپانه با دقت آنها را برای سطوح استثنایی تمیز قبل از ترسیم خواص الکترونیکی آنها بررسی کرد.
"اهمیت زمانی آشکار شد که اندازه‌گیری‌های تجربی به طور مداوم با پیش‌بینی‌های نظری ما مطابقت داشت." نوپانه می‌گوید. "دیدن این شواهد مستقل همگرا به ما اطمینان داد که یک آلترومغناطیس لایه‌ای واقعی را شناسایی کرده‌ایم."
ماده‌ای فوق‌العاده نازک و بسیار قابل تنظیم
شواهد آلترومغناطیس تنها ویژگی‌ای نبود که Co1/4TaSe2 را برای محققان جذاب می‌کرد.
این ماده از ورقه‌های فوق‌العاده نازکی تشکیل شده است که روی هم قرار گرفته‌اند. از آنجایی که لایه‌های جداگانه فقط به طور ضعیفی به هم متصل هستند، محققان می‌توانند آنها را جدا کرده و آنها را در ساختارهای بسیار نازک ترکیب کنند. این انعطاف‌پذیری مواد لایه‌ای را برای دستگاه‌های فیلم نازک و سایر فناوری‌های الکترونیکی نوظهور جذاب می‌کند.
این دسته از مواد لایه‌ای به عنوان دی‌کالکوژنیدهای فلز انتقالی (TMD) شناخته می‌شوند.
در Co1/4TaSe2، اتم‌های کبالت مغناطیسی قرار گرفته بین لایه‌ها به ویژگی‌های مغناطیسی غیرمعمول آن کمک می‌کنند. ساختار لایه‌ای همچنین کنترل قابل توجهی را بر روی ماده به دانشمندان می‌دهد و به آنها امکان می‌دهد آن را تغییر دهند و سپس نحوه تأثیر این تغییرات بر خواص الکترونیکی و مغناطیسی آن را مشاهده کنند.
محققان همچنین می‌خواستند تعیین کنند که نشانه‌های الکترونیکی مرتبط با آلترومغناطیس از کجا می‌آیند.
قبل از این آزمایش‌ها، دانشمندان نمی‌دانستند که آیا ویژگی‌های مهم آلترومغناطیسی در مواد لایه‌ای عمدتاً از سطح یا عمیق‌تر در داخل ماده منشأ می‌گیرند.
اندازه‌گیری‌ها نشان داد که حالت الکترونیکی مرتبط عمدتاً از خود ماده می‌آید و شواهد روشنی از نظم آلترومغناطیسی نشان می‌دهد.
"شواهد آلترومغناطیس در یک پلتفرم مواد همه کاره، امکانات جدید زیادی را باز می‌کند." میلو اسپرگ، محقق اصلی فارغ التحصیل این مطالعه می‌گوید. "در حال حاضر بحث زیادی در تئوری آلترومغناطیس وجود دارد که چگونه حالت‌های الکترونیکی با قطبش اسپین با سایر پدیده‌های مغناطیسی تعامل دارند. اکنون ما ماده‌ای داریم که می‌توانیم به راحتی آن را تغییر دهیم تا این سؤالات جدید را بررسی کنیم."
استفاده از اسپین الکترون برای الکترونیک آینده
تقریباً تمام الکترونیک‌های معمولی برای انتقال و پردازش اطلاعات به بار الکترون متکی هستند. اما الکترون‌ها دارای اسپین نیز هستند، ویژگی ذاتی دیگری که محققان امیدوارند بتوانند آن را برای محاسبات مهار کنند.
حوزه‌ای که به استفاده از اسپین الکترون در دستگاه‌های الکترونیکی اختصاص دارد، اسپینترونیک نامیده می‌شود.
آلترومغناطیس‌ها برای اسپینترونیک به ویژه جالب هستند زیرا می‌توانند جریان‌های اسپین ایجاد و تشخیص دهند بدون اینکه میدان‌های مغناطیسی سرگردان آزاردهنده مرتبط با فرو مغناطیس‌های معمولی ایجاد کنند.
"با ادامه کوچک شدن دستگاه‌های الکترونیکی، محققان به مواد جدیدی نیاز دارند که بتوانند سریع‌تر کار کنند و در عین حال انرژی کمتری مصرف کنند." نوپانه می‌گوید.
مواد لایه‌ای در حال حاضر برای کاربردهایی از جمله ترانزیستورهای فوق‌العاده کوچک گرفته تا فناوری‌های نوری و سایر الکترونیک‌های پیشرفته مورد مطالعه قرار می‌گیرند. به طور جداگانه، محققان در حال بررسی راه‌هایی برای استفاده از جریان‌های اسپین برای حمل اطلاعات دیجیتال هستند.
آلترومغناطیس‌های لایه‌ای می‌توانند به طور بالقوه این دو حوزه را به هم متصل کنند. ساختارهای فوق‌العاده نازک و قابل تنظیم آنها می‌تواند کنترل اسپین الکترون را در عین جلوگیری از تداخل مغناطیسی ناشی از آهنرباهای معمولی امکان‌پذیر کند.
"اگر این رویکرد قابل اجرا باشد، آلترومغناطیس‌های لایه‌ای در خط مقدم توسعه الکترونیک قرار خواهند گرفت." نوپانه می‌گوید.
سوالات مهمی در مورد آلترومغناطیس باقی مانده است
این کشف همچنین به محققان چیزی مهم برای علم پایه می‌دهد: ماده‌ای که می‌تواند تغییر یابد و مورد مطالعه قرار گیرد زیرا دانشمندان سوالات بی شماری را که در مورد آلترومغناطیس در Co1/4TaSe2 وجود دارد، بررسی می‌کنند.
محققان هنوز به طور کامل درک نمی‌کنند که چرا این حالت مغناطیسی غیرمعمول شکل می‌گیرد، چرا گاهی اوقات بر آرایش‌های مغناطیسی رقیب، از جمله فرو مغناطیس و سایر اشکال پاد مغناطیس ترجیح داده می‌شود، یا دقیقاً چگونه تحت شرایط مختلف رفتار می‌کند.
کار نظری نشان می‌دهد که تعاملات رقابتی بین الکترون‌ها ممکن است بر نوع نظم مغناطیسی که ایجاد می‌شود تأثیر بگذارد. دانشمندان اکنون در تلاشند تا تعیین کنند که آیا این نظریه‌ها به طور دقیق آنچه را که در مواد واقعی اتفاق می‌افتد توصیف می‌کنند یا خیر.
"جزئیات زیادی در مورد تئوری نحوه عملکرد آلترومغناطیس وجود دارد که هنوز مورد بررسی یا تأیید قرار نگرفته است." نوپانه می‌گوید. "اکنون که چندین پلتفرم برای پاسخ دادن به این سؤالات شناسایی کرده‌ایم، مطالعات پیشرفته‌تری بر روی این مواد در حال انجام است."
از آنجایی که محققان می‌توانند Co1/4TaSe2 را تغییر دهند و نحوه پاسخ خواص آن را ردیابی کنند، این ماده یک زمین آزمایش ارزشمند برای بررسی آلترومغناطیس و تعیین نحوه تعامل آن با سایر اثرات مغناطیسی و الکترونیکی ارائه می‌دهد.
این ماده بر اساس کاری است که توسط وزارت انرژی ایالات متحده، دفتر علوم تحت شماره جایزه DE-SC0024304 پشتیبانی می‌شود.