فیزیکدانان ماده‌ای را با نور مغناطیسی می‌کنند!

ایجاد حالت مغناطیسی جدید با استفاده از نور

فیزیکدانان MIT موفق به ایجاد یک حالت مغناطیسی جدید و پایدار در یک ماده شده‌اند که تنها با استفاده از نور امکان‌پذیر است. در مطالعه‌ای که به زودی در نشریه Nature منتشر خواهد شد، محققان گزارش می‌دهند که با استفاده از لیزر تراهرتز – منبع نوری که بیش از یک تریلیون بار در ثانیه نوسان می‌کند – به طور مستقیم اتم‌ها را در یک ماده آنتی‌فرومغناطیسی تحریک کرده‌اند. نوسانات لیزر به ارتعاشات طبیعی میان اتم‌های ماده تنظیم شده است به گونه‌ای که تعادل چرخش‌های اتمی به سمت یک حالت مغناطیسی جدید تغییر می‌کند.

این نتایج راهی نو برای کنترل و تغییر مواد آنتی‌فرومغناطیسی ارائه می‌دهد که به دلیل پتانسیل‌شان در پیشبرد پردازش اطلاعات و فناوری چیپ‌های حافظه مورد توجه قرار دارند. در مغناطیس‌های معمولی که به عنوان فرو مغناطیس‌ها شناخته می‌شوند، چرخش‌های اتم‌ها در یک جهت قرار دارند، به گونه‌ای که کل سیستم به راحتی تحت تأثیر هر میدان مغناطیسی خارجی قرار می‌گیرد. در مقابل، آنتی‌فرومغناطیس‌ها از اتم‌هایی با چرخش‌های متناوب تشکیل شده‌اند که هر کدام در جهت مخالف همسایه خود قرار دارند. این ترتیب بالا-پایین چرخش‌ها را خنثی کرده و به آنتی‌فرومغناطیس‌ها یک مغناطیس‌زدایی خالص می‌دهد که در برابر هر کشش مغناطیسی مقاوم است.

اگر یک چیپ حافظه از ماده آنتی‌فرومغناطیسی ساخته شود، داده‌ها می‌توانند در نواحی میکروسکوپی ماده، که به آنها دامنه‌ها گفته می‌شود، “نوشته” شوند. یک پیکربندی خاص از چرخش‌های اتمی (به عنوان مثال، بالا-پایین) در یک دامنه خاص نمایانگر بیت کلاسیک “0” خواهد بود و یک پیکربندی متفاوت (پایین-بالا) به معنای “1” خواهد بود. داده‌های نوشته شده بر روی چنین چیپی در برابر تأثیرات مغناطیسی خارجی مقاوم خواهند بود. به همین دلایل، دانشمندان بر این باورند که مواد آنتی‌فرومغناطیسی می‌توانند جایگزینی قوی‌تر برای فناوری‌های ذخیره‌سازی مبتنی بر مغناطیس موجود باشند.

با این حال، یک مانع عمده در کنترل آنتی‌فرومغناطیس‌ها وجود دارد که به طور قابل اعتمادی ماده را از یک حالت مغناطیسی به حالت دیگر تغییر می‌دهد. “مواد آنتی‌فرومغناطیسی مقاوم هستند و تحت تأثیر میدان‌های مغناطیسی ناخواسته قرار نمی‌گیرند”، می‌گوید نوح گدیک، استاد فیزیک در MIT. “اما این مقاومت یک شمشیر دو لبه است؛ عدم حساسیت آنها به میدان‌های مغناطیسی ضعیف، کنترل این مواد را دشوار می‌کند.”

با استفاده از نور تراهرتز به دقت تنظیم شده، تیم MIT توانست یک آنتی‌فرومغناطیس را به طور قابل کنترل به یک حالت مغناطیسی جدید تغییر دهد. آنتی‌فرومغناطیس‌ها می‌توانند در چیپ‌های حافظه آینده گنجانده شوند که داده‌های بیشتری را ذخیره و پردازش کنند و در عین حال انرژی کمتری مصرف کنند و فضایی کمتر از دستگاه‌های موجود اشغال کنند، به دلیل پایداری دامنه‌های مغناطیسی. “به طور کلی، کنترل چنین مواد آنتی‌فرومغناطیسی آسان نیست”، گدیک می‌گوید. “اکنون ما برخی ابزارها را داریم که می‌توانیم آنها را تنظیم و تغییر دهیم.”

گدیک نویسنده ارشد این مطالعه جدید است که همکاران MIT شامل باتیر ایلیاس، تیانچوانگ لو، الکساندر فون هوگن، ژوچوان ژانگ و کیت نلسون هستند، به همراه همکارانی از مؤسسه ماکس پلانک برای ساختار و دینامیک ماده در آلمان، دانشگاه کشور باس در اسپانیا، دانشگاه ملی سئول و مؤسسه فلتیرون در نیویورک.

تحقیقات در زمینه مواد کوانتومی

گروه گدیک در MIT تکنیک‌هایی را برای دستکاری مواد کوانتومی توسعه می‌دهد که در آن تعاملات میان اتم‌ها می‌تواند پدیده‌های عجیب و غریبی را به وجود آورد. “به طور کلی، ما مواد را با نور تحریک می‌کنیم تا بیشتر درباره آنچه آنها را به طور بنیادی به هم متصل می‌کند بیاموزیم”، گدیک می‌گوید.

تحول ماده‌ای از آنتی‌فرومغناطیس به فرومغناطیس

به عنوان مثال، چرا این ماده یک آنتی‌فرومغناطیس است و آیا راهی وجود دارد که تعاملات میکروسکوپی را به گونه‌ای تغییر دهیم که به فرومغناطیس تبدیل شود؟ در مطالعه جدید خود، تیم تحقیقاتی با ماده FePS3 کار کرد که در دمای بحرانی حدود 118 کلوین (معادل -247 درجه فارنهایت) به فاز آنتی‌فرومغناطیسی تبدیل می‌شود. این تیم مشکوک بود که ممکن است بتوانند انتقال این ماده را با تنظیم ارتعاشات اتمی آن کنترل کنند.

وون هوگن توضیح می‌دهد: “در هر جامد، می‌توانید آن را به عنوان اتم‌های مختلفی تصور کنید که به طور دوره‌ای مرتب شده‌اند و بین اتم‌ها فنرهای کوچکی وجود دارد. اگر یکی از اتم‌ها را بکشید، آن اتم با فرکانس خاصی ارتعاش می‌کند که معمولاً در محدوده ترهرتز اتفاق می‌افتد.” نحوه ارتعاش اتم‌ها همچنین به نحوه تعامل اسپین‌های آن‌ها با یکدیگر مربوط می‌شود. تیم تحقیقاتی استدلال کرد که اگر بتوانند اتم‌ها را با منبع ترهرتز که با فرکانس ارتعاشات جمعی اتم‌ها، به نام فونون‌ها، نوسان می‌کند، تحریک کنند، این اثر می‌تواند اسپین‌های اتم‌ها را از تراز متعادل و مغناطیسی آن‌ها خارج کند. وقتی اتم‌ها از توازن خارج شوند، اسپین‌ها باید در یک جهت بزرگتر از دیگری باشند و این امر یک جهت‌گیری ترجیحی ایجاد می‌کند که ماده غیرمغناطیسی را به یک حالت مغناطیسی جدید با مغناطش محدود تبدیل می‌کند.

گدیک می‌گوید: “ایده این است که می‌توانید با یک تیر دو نشان بزنید: شما ارتعاشات ترهرتز اتم‌ها را تحریک می‌کنید که همچنین به اسپین‌ها متصل می‌شود.”

آزمایش و نوشتن حالت جدید

برای آزمایش این ایده، تیم با نمونه‌ای از FePS3 که توسط همکارانشان در دانشگاه ملی سئول سنتز شده بود، کار کردند. آن‌ها نمونه را در یک محفظه خلاء قرار دادند و آن را تا دماهای برابر یا کمتر از 118 کلوین سرد کردند. سپس با هدف قرار دادن یک پرتو نور نزدیک به مادون قرمز از طریق یک کریستال آلی، یک پالس ترهرتز تولید کردند که نور را به فرکانس‌های ترهرتز تبدیل می‌کرد. آن‌ها سپس این نور ترهرتز را به سمت نمونه هدایت کردند. لو می‌گوید: “این پالس ترهرتز است که ما برای ایجاد تغییر در نمونه استفاده می‌کنیم. این مانند ‘نوشتن’ یک حالت جدید در نمونه است.”

برای تأیید اینکه پالس تغییراتی در مغناطیس ماده ایجاد کرده است، تیم همچنین دو لیزر نزدیک به مادون قرمز را به سمت نمونه هدف قرار دادند که هر کدام دارای قطبش دایره‌ای معکوس بودند. اگر پالس ترهرتز تأثیری نداشت، محققان نباید هیچ تفاوتی در شدت لیزرهای مادون قرمز منتقل شده مشاهده می‌کردند. ایلیاس می‌گوید: “فقط دیدن یک تفاوت به ما می‌گوید که ماده دیگر آنتی‌فرومغناطیس اولیه نیست و ما یک حالت مغناطیسی جدید را القا می‌کنیم، به‌طور اساسی با استفاده از نور ترهرتز برای لرزاندن اتم‌ها.”

در آزمایش‌های مکرر، تیم مشاهده کرد که یک پالس ترهرتز به‌طور مؤثر ماده قبلاً آنتی‌فرومغناطیس را به یک حالت مغناطیسی جدید تغییر می‌دهد – انتقالی که برای مدت زمان قابل توجهی، بیش از چند میلی‌ثانیه، حتی پس از خاموش شدن لیزر، ادامه داشت. گدیک می‌گوید: “مردم قبلاً این انتقال‌های فازی ناشی از نور را در سیستم‌های دیگر دیده‌اند، اما معمولاً این انتقال‌ها برای مدت زمان بسیار کوتاهی در حدود یک تریلیونیم ثانیه (پیکوثانیه) زندگی می‌کنند.”

اکنون، در عرض چند میلی‌ثانیه، دانشمندان ممکن است یک پنجره زمانی مناسب داشته باشند که در آن بتوانند خواص حالت جدید موقتی را بررسی کنند قبل از اینکه دوباره به آنتی‌فرومغناطیس ذاتی خود بازگردد. سپس، ممکن است بتوانند دکمه‌های جدیدی برای تنظیم آنتی‌فرومغناطیس‌ها شناسایی کنند و استفاده آن‌ها را در فناوری‌های ذخیره‌سازی حافظه نسل بعدی بهینه‌سازی کنند.

این تحقیق بخشی از حمایت‌های وزارت انرژی ایالات متحده، بخش علوم و مهندسی مواد، دفتر علوم انرژی پایه و بنیاد گوردون و بتّی مور بوده است.