پژوهشگران ژاپنی برای نخستینبار موفق شدند یک حالت مغناطیسی نادر موسوم به «آلترومغناطیس» را به طور تجربی در یک ماده اکسیدی رایج مشاهده کنند.
به گزارش سرویس علمی تکناک، در وسایل الکترونیک امروزی مثل کامپیوتر و گوشی، اطلاعات با کمک مواد مغناطیسی ذخیره میشوند. آهنرباهای معمولی نوشتن اطلاعات را آسان میکنند، اما زمانی که قطعات خیلی کوچک میشوند، اطلاعات ممکن است بههم بریزد. از طرف دیگر، بعضی مواد مغناطیسی بسیار پایدار هستند، اما خواندن اطلاعات از آنها سخت است.
حالت آلترومغناطیس تلاش میکند بهترین ویژگیهای هر دو نوع را با هم داشته باشد. این مواد در برابر نویز و اختلال مقاوم هستند و در عین حال میتوان اطلاعات را به صورت الکتریکی از آنها خواند.
این پژوهش نشان میدهد که دیاکسید روتنیوم با فرمول شیمیایی RuO₂، در صورت مهندسی دقیق ساختار بلوری، قادر است رفتاری مغناطیسی از خود بروز دهد، که بهترین ویژگیهای دو کلاس شناختهشده فرومغناطیس و آنتیفرومغناطیس را به طور همزمان در اختیار میگذارد. چنین ترکیبی، سالها صرفاً در سطح پیشبینیهای نظری مطرح بود و شواهد تجربی آن با تردیدهایی همراه بود.
در تکناک بخوانید: ساخت حافظه مغناطیسی با ۳۵ درصد مصرف کمتر
این پروژه حاصل همکاری مشترک میان مؤسسه ملی علوم مواد، دانشگاه توکیو، مؤسسه فناوری کیوتو و دانشگاه توهوکو است. تیم تحقیقاتی گزارش میدهد که لایههای نازک RuO₂، در صورت همترازسازی دقیق شبکه بلوری، میتوانند حالت آلترومغناطیس را بهوضوح نمایش دهند. این پدیده به عنوان سومین کلاس بنیادی مغناطیس، از هر دو فرومغناطیس و آنتیفرومغناطیس متمایز است.
مواد مغناطیسی نقش محوری در محاسبات مدرن دارند و در قلب فناوریهای حافظه و پردازش اطلاعات قرار گرفتهاند. فرومغناطیسها به دلیل پاسخپذیری بالا نسبت به میدانهای مغناطیسی خارجی، بهراحتی قابل نوشتن هستند، اما با کوچکتر شدن ابعاد قطعات، به میدانهای مزاحم حساس میشوند و پایداری خود را از دست میدهند. در مقابل، آنتیفرومغناطیسها نسبت به نویز مغناطیسی بسیار مقاوم هستند، اما به دلیل خنثی شدن کامل اسپینها، خواندن اطلاعات ذخیرهشده در آنها از طریق سیگنالهای الکتریکی دشوار است.
در تکناک بخوانید: یک حالت ابررسانایی جدید کشف شد
آلترومغناطیسها وعده یک راهحل میانی را میدهند. این مواد، مشابه آنتیفرومغناطیسها، فاقد مغناطش خالص هستند، اما در عین حال امکان خوانش الکتریکی اطلاعات وابسته به اسپین را حفظ میکنند. همین ویژگی باعث شده است که حالت آلترومغناطیس به یکی از موضوعات داغ پژوهش در حوزه اسپینترونیک تبدیل شود، هرچند نبود نمونههای تجربی قابل اعتماد، پیشرفت این حوزه را کند کرده بود.
پژوهشگران ژاپنی یکی از موانع اصلی را کیفیت مواد میدانند. اگرچه RuO₂ از نظر تئوری گزینهای مناسب برای میزبانی آلترومغناطیس به حساب میآمد، اما تولید نمونههایی با نظم بلوری کافی برای آشکارسازی این اثر، چالشبرانگیز بود. تیم تحقیقاتی برای حل این مشکل، لایههای نازک RuO₂ را با یک جهتگیری بلوری واحد روی زیرلایههای یاقوت کبود رشد داد. این کار باعث شد شبکه اتمی ماده در یک راستای یکنواخت قفل شود، که شرطی حیاتی برای مشاهده نظمهای مغناطیسی ظریف است.
پژوهشگران برای تأیید ساختار اسپینی، از روش «دیکروئیسم خطی مغناطیسی اشعه ایکس» بهره گرفتند و به طور مستقیم آرایش اسپینها را نقشهبرداری کردند. نتایج نشان داد که قطبهای مغناطیسی در مقیاس کلان یکدیگر را خنثی میکنند. همزمان، تیم تغییرات مقاومت الکتریکی وابسته به جهتگیری اسپین را نیز شناسایی کرد؛ امضایی الکتریکی که وجود ساختار الکترونیکی با اسپین شکافته، یعنی ویژگی کلیدی آلترومغناطیس را تأیید میکند.
یکی از اعضای تیم تحقیق تأکید کرد که کنترل دقیق جهتگیری بلوری، کلید اتصال پیشبینیهای نظری به مشاهدههای تجربی بوده است. به گفته او، این دستاورد نشان میدهد که حالت آلترومغناطیس یک کنجکاوی تئوریک نیست، بلکه پدیدهای قابل بهرهبرداری در مواد واقعی است.
در گام بعدی، پژوهشگران قصد دارند امکان استفاده از این ویژگیها را در طراحی دستگاههای حافظه بررسی کنند. از آنجا که RuO₂ با فناوریهای متداول ساخت لایه نازک سازگار است، مسیر انتقال از آزمایشگاه به کاربردهای صنعتی میتواند کوتاهتر از مواد نوظهور دیگر باشد. نتایج این مطالعه به صورت آنلاین در مجله Nature Communications منتشر شده است.
