کشف جدید دانشمندان مفهوم مغناطیس را دوباره‌نویسی کرد!

دنیای پنهان نانو

به دنیای پنهانی قدم بگذارید که آن‌قدر کوچک است که تقریباً غیرقابل تصور می‌باشد — مقیاس نانو. تصور کنید یک تار موی انسان را یک میلیون بار کوچک کنید، و شما در آنجا هستید. در این دنیا، اتم‌ها و مولکول‌ها سازندگان ماهری هستند که خواص جدیدی را خلق می‌کنند که هنوز کشف نشده‌اند — تا به حال. محققان دیپاک سینگ و کارستن اولریش از کالج هنر و علوم دانشگاه میسوری، به همراه تیم‌های دانشجویی و پژوهشگران پسادکتری خود، به تازگی یک کشف بنیادی در مقیاس نانو انجام داده‌اند: نوع جدیدی از کوآزی‌ذرات که در تمام مواد مغناطیسی وجود دارد، صرف‌نظر از قدرت یا دما.

این خواص جدید آنچه را که محققان قبلاً درباره مغناطیس می‌دانستند، به چالش می‌کشد و نشان می‌دهد که مغناطیس به اندازه‌ای که قبلاً تصور می‌شد، ثابت نیست. اولریش، استاد ممتاز فیزیک و نجوم، گفت: “همه ما حباب‌هایی را که در آب گازدار یا دیگر نوشیدنی‌های کربناته تشکیل می‌شوند، دیده‌ایم. کوآزی‌ذرات مانند آن حباب‌ها هستند و ما دریافتیم که می‌توانند با سرعت‌های شگفت‌انگیزی به‌طور آزادانه حرکت کنند.”

این کشف می‌تواند به توسعه نسل جدیدی از الکترونیک کمک کند که سریع‌تر، هوشمندتر و انرژی‌کارآمدتر هستند. اما در ابتدا، دانشمندان باید تعیین کنند که چگونه این یافته می‌تواند در این فرآیندها به کار گرفته شود. یکی از زمینه‌های علمی که می‌تواند به‌طور مستقیم از کشف محققان بهره‌مند شود، اسپینترونیک یا “الکترونیک اسپین” است. در حالی که الکترونیک سنتی از بار الکتریکی الکترون‌ها برای ذخیره و پردازش اطلاعات استفاده می‌کند، اسپینترونیک از چرخش طبیعی الکترون‌ها استفاده می‌کند — خاصیتی که به‌طور ذاتی به ماهیت کوانتومی الکترون‌ها مرتبط است، به گفته اولریش.

پیشرفت‌های جدید در فناوری اسپینترونیک

به گفته سینگ، استاد همکار فیزیک و نجوم که در زمینه اسپینترونیک تخصص دارد، باتری یک تلفن همراه می‌تواند با استفاده از فناوری اسپینترونیک، برای صدها ساعت با یک بار شارژ کار کند. او گفت: “طبیعت اسپینی این الکترون‌ها مسئول پدیده‌های مغناطیسی است.” سینگ ادامه داد: “الکترون‌ها دو ویژگی دارند: بار و اسپین. بنابراین، به جای استفاده از بار متعارف، ما از ویژگی چرخشی یا اسپینی استفاده می‌کنیم. این روش کارآمدتر است زیرا اسپین انرژی بسیار کمتری نسبت به بار هدر می‌دهد.”

تیم سینگ، که شامل جیاسون گو، دانشجوی سابق تحصیلات تکمیلی، بود، آزمایش‌ها را انجام داد و از سال‌ها تجربه سینگ در زمینه مواد مغناطیسی برای بهبود ویژگی‌های آن‌ها بهره برد. تیم اولریش، با همکاری محقق پسادکتری دانیل هیل، نتایج سینگ را تحلیل کرده و مدل‌هایی برای توضیح رفتار منحصر به فردی که تحت طیف‌سنج‌های قدرتمند در آزمایشگاه ملی اوک ریج مشاهده می‌کردند، ایجاد کردند.

این مطالعه بر اساس مطالعه قبلی تیم، که در نشریه Nature Communications منتشر شده بود، بنا شده است. در آنجا، آن‌ها برای اولین بار این رفتار دینامیک را در سطح نانو گزارش کردند. مقاله‌ای با عنوان حرکت‌های کوآزی‌ذره‌ای توپولوژیکی نوظهور در نانومغناطیس‌های محدود در نشریه Physical Review Research، که متعلق به انجمن فیزیک آمریکا است، منتشر شد. این کار با حمایت‌های مالی از سوی دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده و علوم انرژی پایه (DE-SC0014461 و DE-SC0019109) انجام شده است. محتوای این مقاله به‌طور کامل مسئولیت نویسندگان است و لزوماً نمایانگر دیدگاه‌های رسمی آژانس تأمین مالی نیست.

گو، که اکنون پژوهشگر پسادکتری در آزمایشگاه ملی اوک ریج است، و هیل نویسندگان اول و دوم این مطالعه هستند. محققان دانشگاه میزو نیز به همراه والریا لاتر، لورا استینگاچی و پیوتر زولنیچوک، دانشمندان آزمایشگاه اوک ریج، در این تحقیق همکاری کردند.