نور، ماده را به مغناطیس تبدیل می‌کند: انقلاب جدید در ذخیره‌سازی اطلاعات!

بازآفرینی یک وضعیت مغناطیسی با نور

دانشمندان فیزیک در ام‌آی‌تی تونستن با استفاده‌ی صرف از نور، یه حالت مغناطیسی تازه و پایدار رو در ماده‌ای پدید بیارن. در یک پژوهش که قراره به زودی تو مجله‌ی Nature منتشر بشه، محققان گزارش میدن که با به کار بردن لیزر تراهرتز – منبع نوری‌ای که بیش از یک تریلیون بار در ثانیه نوسان می‌کنه – مستقیماً اتم‌ها رو توی یک ماتریال ضدمغناطیسی تحریک کردن. نوسان‌های لیزر با ارتعاشات طبیعی بین اتم‌های ماده هماهنگ شده بودن، به طوری که تعادل چرخشی اتمی به سمت یک حالت مغناطیسی جدید تغییر پیدا می‌کنه.

این نتایج یه راه‌کار نوین برای کنترل و دگرگون کردن مواد ضدمغناطیسی ارائه میده که به خاطر قابلیت‌هاشون در ارتقای پردازش اطلاعات و فناوری تراشه‌های حافظه خیلی مورد توجه هستن. توی مغناطیس‌های معمولی که به‌شون فرو مغناطیس میگن، چرخش‌های اتم‌ها توی یه جهت هستن، به نحوی که کل سیستم به‌آسونی تحت تأثیر هر میدان مغناطیسی بیرونی قرار می‌گیره. اما برعکس، مواد ضدمغناطیس از اتم‌هایی با چرخش‌های متناوب تشکیل شدن، به طوری که هر کدوم در جهت مخالف همسایه‌ی خودشون قرار دارن. این ترتیب بالا-پایین، چرخش‌ها رو خنثی می‌کنه و به مواد ضدمغناطیس یه مغناطیس‌زدایی خالص می‌ده که در برابر هر کششی مغناطیسی مقاومه.

اگه یه تراشه‌ی حافظه از ماده‌ی ضدمغناطیس ساخته بشه، اطلاعات می‌تونن تو نواحی میکروسکوپی ماده که به‌شون حوزه میگن، “نوشته” بشن. یک پیکربندی مشخص از چرخش‌های اتمی (مثل، بالا-پایین) تو یه حوزه‌ی خاص، بیت کلاسیک “0” رو نشون میده و یه پیکربندی متفاوت (پایین-بالا) به معنی “1” خواهد بود. اطلاعاتی که روی چنین تراشه‌ای نوشته میشن، در برابر تأثیرات مغناطیسی بیرونی مقاوم خواهند بود. به همین دلایل، دانشمندان بر این باورن که مواد ضدمغناطیس می‌تونن جانشین‌های قوی‌تری برای فناوری‌های ذخیره‌سازی مبتنی بر مغناطیس کنونی باشن.

ولی، یه مانع اساسی برای کنترل مواد ضدمغناطیس وجود داره، اونم اینه که بتونیم ماده رو به‌طور قابل اطمینانی از یه حالت مغناطیسی به حالت دیگه تغییر بدیم. نوح گدیک، استاد فیزیک در ام‌آی‌تی، میگه:” مواد ضدمغناطیسی مقاوم هستن و تحت تأثیر میدان‌های مغناطیسی نامطلوب قرار نمی‌گیرن. اما این مقاومت، یه شمشیر دو لبه‌ست. کم‌توجهی‌شون به میدان‌های مغناطیسی ضعیف، کنترل این مواد رو دشوار می‌کنه.”

تیم ام‌آی‌تی با استفاده از نور تراهرتز که با دقت تنظیم شده بود، تونستن یه ماده‌ی ضدمغناطیس رو تحت کنترل، به یه حالت مغناطیسی جدید تبدیل کنن. مواد ضدمغناطیس می‌تونن توی تراشه‌های حافظه‌ی آینده به کار برده بشن که اطلاعات بیشتری رو ذخیره و پردازش کنن و در عین حال، انرژی کمتری مصرف کنن و فضای کمتری رو نسبت به دستگاه‌های فعلی اشغال کنن، که اینم به‌خاطر پایداری حوزه‌های مغناطیسی هست. گدیک میگه:”به طور کلی، کنترل اینجور مواد ضدمغناطیس کار آسونی نیست. اما حالا ما یه سری ابزار داریم که می‌شه اونارو تنظیم و تغییر داد.”

گدیک، نویسنده‌ی ارشد این تحقیق جدیده که همکاراش توی ام‌آی‌تی شامل باتیر ایلیاس، تیانچوانگ لو، الکساندر فون هوگن، ژوچوان ژانگ و کیت نلسون میشن، به‌علاوه‌ی همکارانی از مؤسسه‌ی ماکس پلانک برای ساختار و دینامیک ماده در آلمان، دانشگاه کشور باس در اسپانیا، دانشگاه ملی سئول و مؤسسه‌ی فلتیرون در نیویورک.

تحقیق در مورد مواد کوانتومی

گروه گدیک توی ام‌آی‌تی تکنیک‌هایی رو برای دستکاری مواد کوانتومی پیشرفت می‌ده که توش تعاملات بین اتم‌ها می‌تونه پدیده‌های عجیب و غریبی رو رقم بزنه. گدیک می‌گه:” در کل، ما مواد رو با نور تحریک می‌کنیم تا بیشتر در مورد اون چیزایی که به‌طور اساسی به هم ربط‌شون می‌ده، یاد بگیریم.”

تحول ماده از ضدمغناطیس به فرومغناطیس

به‌عنوان مثال، چرا این ماده یک ضدمغناطیسه و آیا راهی هست که تعاملات میکروسکوپی رو طوری تغییر بدیم که به فرومغناطیس تبدیل بشه؟ توی این پژوهش جدید، تیم تحقیقاتی با ماده‌ی FePS3 کار کردن که تو دمای بحرانی حدود 118 کلوین (معادل -247 درجه‌ی فارنهایت) فاز ضدمغناطیسی پیدا می‌کنه. این تیم شک داشت که شاید بتونن انتقال این ماده رو با تنظیم کردن ارتعاشات اتمی‌اش کنترل کنن.

وون هوگن توضیح می‌ده:” توی هر جامدی، می‌شه اون رو مثل اتم‌های گوناگونی در نظر گرفت که به‌طور منظم مرتب شدن و بین اتم‌ها فنرهای کوچکی وجود داره. اگه یکی از اتم‌ها رو بکشید، اون اتم با فرکانس خاصی ارتعاش می‌کنه که معمولاً تو محدوده‌ی ترهرتز اتفاق می‌افته.” شیوه‌ی ارتعاش اتم‌ها همچنین به چگونگی تعامل اسپینهای اون‌ها با هم مربوط می‌شه. تیم تحقیقاتی استدلال کرد که اگه بتونن اتم‌ها رو با یه منبع ترهرتز که با فرکانس ارتعاشات جمعی اتم‌ها، که فونون نام داره، نوسان می‌کنه، تحریک کنن، این اثر می‌تونه اسپین‌های اتم‌ها رو از تراز متعادل و مغناطیسی شون خارج کنه. وقتی اتم‌ها از توازن خارج بشن، اسپین‌ها باید تو یه جهت بزرگتر از جهت دیگه باشن و این، یه جهت‌گیری ترجیحی ایجاد می‌کنه که ماده‌ی غیرمغناطیسی رو به یه حالت مغناطیسی جدید با مغناطیسی‌شدگی محدود تبدیل می‌کنه.

گدیک می‌گه:” ایده اینه که می‌شه با یه تیر دو نشون زد: شما ارتعاشات ترهرتز اتم‌ها رو تحریک می‌کنید که اینم به اسپین‌ها وصل می‌شه.”

آزمایش و نوشتن حالت جدید

برای آزمایش این ایده، تیم با نمونه‌ای از FePS3 که توسط همکاراشون تو دانشگاه ملی سئول ساخته شده بود، کار کردن. اونا نمونه رو توی یه محفظه‌ی خلاء گذاشتن و اون رو تا دماهایی برابر یا کمتر از 118 کلوین سرد کردن. بعد با هدف قرار دادن یه پرتو نور نزدیک به مادون قرمز از طریق یه کریستال ارگانیک، یه پالس ترهرتز تولید کردن که نور رو به فرکانس‌های ترهرتز تبدیل می‌کرد. اون‌ها بعد این نور ترهرتز رو به سمت نمونه هدایت کردن. لو میگه:” این پالس ترهرتزه که ما برای ایجاد تغییر تو نمونه استفاده می‌کنیم. این مثل “نوشتن” یه حالت جدید تو نمونه‌ست.”

برای تأیید این‌که پالس، تغییراتی توی مغناطیس ماده ایجاد کرده، تیم همچنین دو لیزر نزدیک به مادون قرمز رو به سمت نمونه هدف گرفتن که هر کدوم دارای قطبش دایره‌ای متضاد بودن. اگه پالس ترهرتز تأثیری نداشت، محققان نباید هیچ تفاوتی تو شدت لیزرهای مادون قرمز منتقل شده می‌دیدن. ایلیاس میگه:” فقط دیدن یه تفاوت به ما میگه که ماده دیگه اون ضدمغناطیس اولیه‌ نیست و ما یه حالت مغناطیسی جدید رو القا می‌کنیم، اساساً با استفاده از نور ترهرتز برای به لرزه درآوردن اتم‌ها.”

تو آزمایش‌های مکرر، تیم دید که یه پالس ترهرتز به‌طور مؤثری ماده‌ای که قبلاً ضدمغناطیس بود رو به یه حالت مغناطیسی جدید تبدیل می‌کنه – یه دگرگونی که برای یه مدت قابل توجهی، بیشتر از چند میلی‌ثانیه، حتی بعد از خاموش شدن لیزر ادامه داشت. گدیک میگه:” قبلاً مردم این دگرگونی‌های فازی ناشی از نور رو تو سیستم‌های دیگه دیدن، ولی معمولاً این دگرگونی‌ها برای یه مدت خیلی کمی، حدود یه تریلیونم ثانیه (پیکوثانیه) دوام دارن.”

حالا، توی چند میلی‌ثانیه، دانشمندا ممکنه یه بازه‌ی زمانی مناسبی داشته باشن که توش بتونن خواص حالت جدید موقتی رو بررسی کنن قبل از این‌که دوباره به اون ماده‌ی ضدمغناطیس ذاتی خودش برگرده. اون‌وقت، ممکنه بتونن دکمه‌های جدیدی رو برای تنظیم مواد ضدمغناطیس شناسایی کنن و استفادشون رو تو فناوری‌های ذخیره‌سازی حافظه نسل بعدی بهتر کنن.

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