دنیای نانو انقلاب می‌کند: باتری موبایل با شارژ صد ساعته؟

دنیایی که چشم نمی‌بیند: قلمرو نانو

وارد جهانی مخفی شوید که آنقدر ریز و ظریف است که تقریباً باور نکردنی است — مقیاس نانو. تصور کنید یک تار موی انسان را میلیون‌ها بار کوچکتر کنید، آنجاست که این جهان قرار دارد. در این دنیای شگفت‌انگیز، اتم‌ها و مولکول‌ها مثل استادکارانی خلاق، ویژگی‌های بی‌مانندی خلق می‌کنند که یا کشف نشده‌اند، یا تازه دارند شناسایی می‌شوند. پژوهشگران دیپاک سینگ و کارستن اولریش از دانشگاه میزوری (کالج هنر و علوم)، همراه تیم‌های دانشجویی و محققان پسا دکتری خود، اخیراً به یک کشف مهم در مقیاس نانو رسیده‌اند: نوعی جدید از نیمه‌ ذره‌ها (کوآزی‌پارتیکل‌ها) که در تمامی مواد مغناطیسی، فارغ از میزان قدرت یا دما، وجود دارند.

این ویژگی‌های نوین، تمام دانسته‌های قبلی دانشمندان در مورد مغناطیس را به چالش می‌کشد و نشان می‌دهد که مغناطیس، برخلاف تصورات گذشته، چندان هم پایدار نیست. پروفسور اولریش، استاد سرشناس فیزیک و نجوم، می‌گوید: “همه ما حباب‌هایی را دیده‌ایم که در آب گازدار یا نوشیدنی‌های کربناته تشکیل می‌شوند. نیمه‌ ذره‌ها هم مثل اون حباب‌ها هستند، با این تفاوت که دیدیم می‌توانند با سرعت‌های باورنکردنی حرکت کنند.”

این کشف، می‌تواند به توسعه نسل جدیدی از ابزارآلات الکترونیکی کمک کند که سریعتر، هوشمندتر و کم‌مصرف‌تر باشند. اما در ابتدا، دانشمندان باید نحوه استفاده از این یافته را در این فرایندها مشخص کنند. یکی از حوزه‌های علمی که می‌تواند به‌طور مستقیم از این کشف بهره ببرد، اسپینترونیک یا همان “الکترونیک اسپین” است. در حالی که الکترونیک رایج، برای ذخیره و پردازش اطلاعات از بار الکتریکی الکترون‌ها استفاده می‌کند، اسپینترونیک از چرخش ذاتی الکترون‌ها بهره می‌برد — ویژگی‌ای که به ماهیت کوانتومی الکترون‌ها مربوط است، به گفته اولریش.

تحولات جدید در فناوری اسپینترونیک

به گفته سینگ که استاد فیزیک و نجوم و متخصص در زمینه اسپینترونیک است، با استفاده از فناوری اسپینترونیک، باتری تلفن همراه می‌تواند با یک بار شارژ، برای صدها ساعت کار کند. او می‌گوید: “ماهیت اسپینی این الکترون‌ها، عامل اصلی پدیده‌های مغناطیسی است.” سینگ ادامه می‌دهد: “الکترون‌ها دو ویژگی دارند: بار و اسپین. بنابراین، ما به جای استفاده از شارژ الکتریکی، از ویژگی چرخشی یا اسپینی استفاده می‌کنیم. این روش، کارآمدتر است چون اسپین، نسبت به بار، انرژی بسیار کمتری را هدر می‌دهد.”

تیم سینگ، که شامل جیاسون گو، دانشجوی سابق دکتری بود، آزمایش‌ها را انجام داد و از سال‌ها تجربه سینگ در زمینه مواد مغناطیسی برای بهبود خواص آن‌ها بهره برد. تیم اولریش، با همکاری محقق پسا دکتری دنیل هیل، نتایج سینگ را تجزیه و تحلیل کرد و مدل‌هایی برای توضیح رفتارهای منحصربه‌فردی که در آزمایشگاه ملی اوک ریج، با استفاده از طیف‌سنج‌های قدرتمند، مشاهده می‌کردند، ارائه داد.

این مطالعه، بر اساس تحقیقات قبلی تیم، که در مجله Nature Communications به چاپ رسیده بود، انجام شد. در آن مطالعه، آن‌ها برای اولین بار این رفتار پویا را در مقیاس نانو گزارش کردند. مقاله‌ای با عنوان حرکت‌های کوآزی‌پارتیکل‌های توپولوژیکی در نانومغناطیس‌های محدود در نشریه Physical Review Research، از انجمن فیزیک آمریکا، منتشر شد. این پژوهش با کمک‌های مالی از دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده و علوم انرژی پایه (DE-SC0014461 و DE-SC0019109) انجام شده است. مسئولیت کامل محتوای این مقاله بر عهده نویسندگان است و لزوماً منعکس‌کننده دیدگاه‌های رسمی نهادهای تامین‌کننده مالی نیست.

گو، که در حال حاضر پژوهشگر پسا دکتری در آزمایشگاه ملی اوک ریج است، و هیل، نویسندگان اول و دوم این مقاله هستند. محققان دانشگاه میزوری همچنین با والریا لاتر، لورا استینگاچی و پیتر زولنیچاک، دانشمندان آزمایشگاه اوک ریج، در این تحقیق همکاری داشتند.