درون یک مدار الکترونیکی متراکم، میدان‌های مغناطیسی پراکنده می‌توانند با عملکرد قطعات مجاور تداخل داشته باشند. پژوهشگرانی که روی ساخت رایانه‌های سریع‌تر و کارآمدتر کار می‌کنند، قصد دارند از اسپین الکترون، یکی از ویژگی‌های کوانتومی آن، در کنار بار الکتریکی برای انتقال اطلاعات استفاده کنند. دستیابی به این هدف مستلزم استفاده از موادی است که بتوانند اسپین را مدیریت کنند، بدون آنکه میدان‌های مغناطیسی ناخواسته ایجاد کنند.
مادهب نیوپانه، فیزیک‌دان دانشگاه فلوریدای مرکزی، و همکارانش ماده‌ای امیدوارکننده به نام Co₁/₄TaSe₂ شناسایی کرده‌اند که ساختاری لایه‌ای دارد و حاوی اتم‌های مغناطیسی کبالت است. آزمایش‌های آن‌ها نشانه‌هایی از «آلترمغناطیس» (Altermagnetism) را آشکار کرده است؛ نوعی حالت مغناطیسی که ویژگی‌های مفید فرومغناطیس و پادفرومغناطیس را با یکدیگر ترکیب می‌کند.
در مواد فرومغناطیسی، از جمله آهن‌رباهای معمولی، گشتاورهای مغناطیسی در یک جهت هم‌راستا می‌شوند و میدان مغناطیسی ایجاد می‌کنند. در مقابل، در مواد پادفرومغناطیسی، گشتاورهای مغناطیسی مخالف یکدیگر قرار می‌گیرند و اثر یکدیگر را تا حد زیادی خنثی می‌کنند؛ در نتیجه، میدان‌های مغناطیسی پراکنده کمتری به وجود می‌آید. بااین‌حال، پادفرومغناطیس‌های متداول برخی از ویژگی‌های الکترونیکی مفید فرومغناطیس‌ها را ندارند. به همین دلیل، پژوهشگران به دنبال موادی هستند که مزایای هر دو نوع مغناطیس را ارائه دهند.
جدایی حالت‌های الکترونی، نشانه‌ای از آلترمغناطیس
گروه نیوپانه ماده Co₁/₄TaSe₂ را بررسی کرد تا مشخص شود آیا الکترون‌های آن رفتار ویژه مرتبط با آلترمغناطیس را نشان می‌دهند یا خیر. این ماده به خانواده‌ای از ترکیبات موسوم به دی‌کالکوژنیدهای فلزات واسطه (Transition-Metal Dichalcogenides یا TMDs) تعلق دارد. این ترکیبات از لایه‌های نازکی تشکیل شده‌اند که پیوند ضعیفی با یکدیگر دارند. اتم‌های مغناطیسی کبالت میان این لایه‌ها قرار گرفته‌اند و در شکل‌گیری ویژگی‌های مغناطیسی غیرمعمول ماده نقش دارند.
پژوهشگران نمونه‌های باکیفیتی را که همکارانشان ساخته بودند، از نظر برخورداری از سطوحی بسیار تمیز بررسی کردند. چنین سطحی برای استفاده از طیف‌سنجی گسیل فوتوالکترون با تفکیک زاویه‌ای (Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy یا ARPES) ضروری بود. این روش با اندازه‌گیری انرژی و حرکت الکترون‌ها، ساختار الکترونیکی ماده را مشخص می‌کند. از آنجا که نتایج این اندازه‌گیری‌ها به‌شدت به وضعیت سطح نمونه وابسته‌اند، تمیزی آن برای مشاهده دقیق رفتار الکترون‌ها اهمیت زیادی داشت.
نیوپانه توضیح می‌دهد:
رویکرد ما استفاده از روش‌هایی با تفکیک‌پذیری بالاتر بود که به اسپین الکترون حساس نبودند تا جدایی ترازهای انرژی را اندازه‌گیری کنیم. سپس این اندازه‌گیری را با روش ARPES تفکیک‌شده بر اساس اسپین تکمیل کردیم تا بتوانیم با اطمینان مشخص کنیم که آیا این رفتار با آلترمغناطیس مطابقت دارد یا خیر.
اندازه‌گیری‌ها جدایی مشخصی را در نوارهای الکترونیکی ماده آشکار کردند؛ نوارهایی که محدوده‌های انرژی قابل‌دسترس برای الکترون‌ها را نشان می‌دهند. پژوهشگران سپس با استفاده از روش حساس به اسپین دریافتند که حالت‌های جداشده، قطبش‌های اسپینی مخالف یکدیگر دارند. این ویژگی یکی از نشانه‌های اصلی آلترمغناطیس محسوب می‌شود.
نیوپانه می‌گوید:
اهمیت این کشف زمانی مشخص شد که اندازه‌گیری‌های تجربی به‌طور مداوم با پیش‌بینی‌های نظری ما مطابقت پیدا کردند. هم‌گرایی این شواهد مستقل به ما اطمینان داد که یک آلترمغناطیس لایه‌ای واقعی را شناسایی کرده‌ایم.
این گروه همچنین مشخص کرد که حالت الکترونیکی موردنظر عمدتاً از بخش داخلی ماده سرچشمه می‌گیرد. پیش از این، پژوهشگران مطمئن نبودند که نشانه‌های مهم آلترمغناطیس در مواد لایه‌ای بیشتر از سطح ماده ناشی می‌شوند یا از بخش‌های عمیق‌تر آن. اندازه‌گیری‌ها وجود نشانه‌های روشنی از نظم آلترمغناطیسی را در حالتی الکترونیکی نشان دادند که منشأ آن درون ماده Co₁/₄TaSe₂ قرار دارد.
علت شکل‌گیری آلترمغناطیس هنوز مشخص نیست!
پژوهشگران می‌توانند این ماده را تغییر دهند و بررسی کنند که ویژگی‌های مغناطیسی و الکترونیکی آن چگونه دگرگون می‌شوند. این انعطاف‌پذیری، ماده مذکور را به گزینه‌ای مناسب برای مطالعه برهم‌کنش‌هایی تبدیل می‌کند که بررسی آن‌ها صرفاً از طریق نظریه دشوار است.
میلو اسپرگ، پژوهشگر اصلی دانشجوی این پروژه، می‌گوید:
شواهد مربوط به وجود آلترمغناطیس در بستری از مواد که به‌راحتی می‌توان آن را تغییر داد، فرصت‌های تازه بسیاری ایجاد می‌کند. در حال حاضر، درباره نحوه تعامل حالت‌های الکترونی قطبیده از نظر اسپین با سایر پدیده‌های مغناطیسی، بحث‌های زیادی در نظریه آلترمغناطیس وجود دارد. اکنون ماده‌ای در اختیار داریم که می‌توانیم به‌سادگی آن را تغییر دهیم و این پرسش‌های تازه را بررسی کنیم.
بر اساس مطالعات نظری، برهم‌کنش‌های رقابتی میان الکترون‌ها ممکن است در تعیین نوع حالت مغناطیسی شکل‌گرفته نقش داشته باشند. بااین‌حال، پژوهشگران هنوز باید مشخص کنند که آلترمغناطیس چرا شکل می‌گیرد و تحت چه شرایطی نسبت به فرومغناطیس یا سایر آرایش‌های پادفرومغناطیسی ترجیح داده می‌شود.
نیوپانه می‌گوید:
جزئیات بسیاری درباره نظریه عملکرد آلترمغناطیس‌ها وجود دارد که هنوز بررسی یا تأیید نشده‌اند. اکنون که چندین بستر مناسب برای پاسخ دادن به این پرسش‌ها شناسایی کرده‌ایم، مطالعات پیشرفته‌تری روی این مواد در حال انجام است.
حرکت به‌سوی حافظه‌های فوق‌سریع بدون تداخل مغناطیسی
الکترون‌ها می‌توانند از طریق جریان‌های اسپینی نیز اطلاعات را در این مواد انتقال دهند. جریان اسپینی به انتقال اسپین الکترون‌ها گفته می‌شود و یکی از موضوعات مورد بررسی در حوزه اسپین‌ترونیک (Spintronics) است؛ شاخه‌ای از فناوری که از اسپین الکترون برای پردازش و انتقال اطلاعات بهره می‌گیرد.
نیوپانه توضیح می‌دهد:
این مواد در مقایسه با پادفرومغناطیس‌های متداول، به دلیل توانایی تولید و شناسایی جریان‌های اسپینی بدون پیامد منفی ایجاد میدان‌های مغناطیسی پراکنده متمایز هستند. این ویژگی جدید، آن‌ها را برای کاربردهای گوناگون، از جمله اسپین‌ترونیک، دستگاه‌های حافظه فوق‌سریع، شبکه‌های تراهرتزی و تجهیزات الکترونیکی کم‌مصرف، به گزینه‌هایی بسیار مناسب تبدیل می‌کند.
دانشمندان می‌توانند لایه‌های دارای پیوند ضعیف این مواد را از یکدیگر جدا کنند یا دوباره به هم پیوند دهند و ساختارهایی فوق‌العاده نازک بسازند. به همین دلیل، مواد لایه‌ای برای تولید ترانزیستورهای کوچک، فناوری‌های نوری و سایر تجهیزات الکترونیکی جذاب هستند. افزودن قابلیت کنترل اسپین الکترون می‌تواند توانایی‌های این قطعات نازک را گسترش دهد.
نیوپانه می‌گوید:
با کوچک‌تر شدن مداوم تجهیزات الکترونیکی، پژوهشگران به مواد جدیدی نیاز دارند که بتوانند با سرعت بیشتر و مصرف انرژی کمتر کار کنند. اگر این رویکرد در عمل موفقیت‌آمیز باشد، آلترمغناطیس‌های لایه‌ای در خط مقدم توسعه فناوری‌های الکترونیکی قرار خواهند گرفت.
در آینده، این لایه‌های نازک می‌توانند به انتقال اطلاعات از طریق اسپین الکترون‌ها در مدارهای متراکم کمک کنند، بدون آنکه میدان‌های مغناطیسی مختل‌کننده به قطعات مجاور آسیب برسانند. چنین قابلیتی می‌تواند راه را برای ساخت حافظه‌های سریع‌تر و تجهیزات الکترونیکی با مصرف انرژی کمتر هموار کند.
منبع: Scitechdaily
