یک ماده آلترمگنت (مغناطیس متناوب) لایه‌ای که به‌تازگی شناسایی شده است، می‌تواند به ساخت رایانه‌هایی سریع‌تر، باریک‌تر و کم‌مصرف‌تر بر پایه اسپین الکترون کمک کند. رایانه‌های آینده ممکن است به چیزی فراتر از بار الکتریکی حامل الکترون‌ها متکی باشند. پژوهشگران به‌طور فزاینده‌ای به ویژگی بنیادی دیگری در الکترون‌ها به نام اسپین (چرخش) علاقه‌مند شده‌اند که
یک ماده آلترمگنت (مغناطیس متناوب) لایه‌ای که به‌تازگی شناسایی شده است، می‌تواند به ساخت رایانه‌هایی سریع‌تر، باریک‌تر و کم‌مصرف‌تر بر پایه اسپین الکترون کمک کند.
رایانه‌های آینده ممکن است به چیزی فراتر از بار الکتریکی حامل الکترون‌ها متکی باشند. پژوهشگران به‌طور فزاینده‌ای به ویژگی بنیادی دیگری در الکترون‌ها به نام اسپین (چرخش) علاقه‌مند شده‌اند که می‌تواند روش جدیدی برای انتقال و پردازش اطلاعات در داخل دستگاه‌های الکترونیکی ارائه دهد.
رایانه‌های متداول برای پردازش داده‌ها از حرکت بار الکتریکی استفاده می‌کنند. اگر دانشمندان بتوانند اسپین الکترون را نیز به‌طور پایدار و مطمئن کنترل کنند، احتمالاً قادر خواهند بود رویکردهای کاملاً جدیدی در حوزه محاسبات توسعه دهند که سرعت بالاتری دارند و انرژی کمتری مصرف می‌کنند.
اکنون یک تیم تحقیقاتی به سرپرستی ماداب نئوپانه، استاد فیزیک دانشگاه فلوریدای مرکزی (UCF)، ماده‌ای را شناسایی کرده است که می‌تواند این امر را محقق سازد. نئوپانه و همکارانش شواهد تجربی از آلترمغناطیس یافته‌اند؛ شکل تازه‌شناخته‌شده‌ای از مغناطیس که ویژگی‌های مفید دو حالت مغناطیسی شناخته‌شده‌تر یعنی فرومغناطیس و آنتی‌فرومغناطیس را با هم ترکیب می‌کند.
نوع متفاوتی از مغناطیس
فرومغناطیس همان رفتار مغناطیسی آشنایی است که در آهنرباهای معمولی دیده می‌شود. در یک ماده فرومغناطیسی، گشتاورهای مغناطیسی همگی در یک جهت قرار می‌گیرند و یک میدان مغناطیسی کلی ایجاد می‌کنند.
این رفتار در فناوری‌های الکترونیکی می‌تواند بسیار ارزشمند باشد، اما یک ایراد نیز دارد. مواد فرومغناطیس می‌توانند میدان‌های مغناطیسی پراکنده‌ای (سرگردان) تولید کنند که با قطعات مجاور تداخل ایجاد می‌کنند؛ موضوعی که با کوچک‌تر و متراکم‌تر شدن دستگاه‌های الکترونیکی، به یک نگرانی فزاینده تبدیل شده است.
آنتی‌فرومغناطیس‌ها به گونه‌ای متفاوت عمل می‌کنند. گشتاورهای مغناطیسی آن‌ها در جهات مخالف قرار دارند که عملاً یکدیگر را خنثی کرده و میدان‌های مغناطیسی پراکنده را به میزان قابل‌توجهی کاهش می‌دهند. با این وجود، این مواد فاقد برخی از ویژگی‌های الکترونیکی هستند که فرومغناطیس‌ها را برای کاربردهای فناوری جذاب می‌سازند.
در این میان، آلترمگنت‌ها می‌توانند مزایای هر دو دسته را همزمان ارائه دهند.
این مواد مانند آنتی‌فرومغناطیس‌ها می‌توانند بدون ایجاد میدان‌های مغناطیسی پراکنده و ناخواسته عمل کنند. همزمان، قادرند جریان‌های اسپینی (یعنی حرکت اسپین‌های الکترون در یک ماده) را تولید و شناسایی کنند. پژوهشگران در حال بررسی این موضوع هستند که آیا این جریان‌های اسپینی در نهایت می‌توانند برای انتقال اطلاعات در سیستم‌های الکترونیکی آینده مورد استفاده قرار گیرند یا خیر.
نئوپانه و همکارانش نشانه‌های تجربی آلترمغناطیس را در ماده‌ای لایه‌ای به نام Co1/4TaSe2 که حاوی اتم‌های مغناطیسی کبالت است، کشف کردند. این ماده اکنون می‌تواند به‌عنوان یک پلتفرم تجربی انعطاف‌پذیر برای مطالعه این حالت مغناطیسی غیرمعمول عمل کند و در عین حال، به‌طور بالقوه به پیشرفت فناوری‌های الکترونیکی و اسپین‌ترونیک یاری رساند.
نئوپانه می‌گوید:
این مواد به دلیل توانایی در تولید و شناسایی جریان‌های اسپینی، بدون داشتن اثرات منفی ناشی از تولید میدان‌های پراکنده، از آنتی‌فرومغناطیس‌های متداول‌تر متمایز می‌شوند. این ویژگی جدید، آن‌ها را در موقعیت بسیار خوبی برای استفاده در کاربردهای متنوعی از جمله اسپین‌ترونیک، دستگاه‌های حافظه فوق‌سریع، شبکه‌های تراهرتز و لوازم الکترونیکی کم‌مصرف قرار می‌دهد.
تشخیص آلترمغناطیس در رفتار الکترون
پژوهشگران برای تعیین اینکه آیا ماده Co1/4TaSe2 واقعاً ویژگی‌های آلترمغناطیس را از خود نشان می‌دهد یا خیر، رفتار الکترون‌ها را در داخل این ماده مورد بررسی قرار دادند.
آن‌ها از روش طیف‌سنجی گسیل نوری با تفکیک زاویه‌ای یا به‌اختصار ARPES استفاده کردند؛ تکنیکی که به محققان اجازه می‌دهد انرژی و حرکت الکترون‌ها را اندازه‌گیری کرده و ساختار الکترونیکی یک ماده را بازسازی کنند.
نئوپانه توضیح می‌دهد:
رویکرد ما استفاده از روش‌هایی با وضوح بالاتر بود که نسبت به اسپین الکترون حساس نبودند، تا بتوانیم شکافتگی در سطوح انرژی را اندازه‌گیری کنیم. سپس، این اندازه‌گیری را با روش ARPES با قابلیت تفکیک اسپین (spin-resolved ARPES) تکمیل کردیم تا به‌طور قطعی مشخص کنیم که آیا این پدیده شبیه به آلترمغناطیس است یا خیر.
اندازه‌گیری‌های اولیه، شکافتگی متمایزی را در نوارهای الکترونیکی ماده نشان داد. پس از آن، پژوهشگران برای بررسی دقیق‌تر به سراغ ARPES با قابلیت تفکیک اسپین رفتند.
این اندازه‌گیری‌ها نشان داد که حالت‌های الکترونیکی جداشده دارای قطبش‌های اسپینی مخالفی هستند؛ ویژگی مهمی که از آلترمغناطیس انتظار می‌رود.
مشاهده واضح این اثر کار ساده‌ای نبود. تکنیک‌های گسیل نوری به شدت نسبت به شرایط سطحی حساس هستند، به این معنی که حتی مقادیر ناچیزی از آلودگی می‌تواند سیگنال‌های الکترونیکی مورد نظر دانشمندان را پنهان یا مخدوش کند.
همکاران این پروژه نمونه‌های باکیفیتی از Co1/4TaSe2 تولید کردند و گروه نئوپانه نیز پیش از نقشه‌برداری از خواص الکترونیکی آن‌ها، سطوح این نمونه‌ها را با دقت بررسی کردند تا از تمیزی فوق‌العاده آن‌ها اطمینان حاصل کنند.
اهمیت این موضوع زمانی روشن شد که اندازه‌گیری‌های تجربی به‌طور پیوسته با پیش‌بینی‌های نظری ما همخوانی داشتند. مشاهده همگرایی این شواهد مستقل، به ما اطمینان داد که یک آلترمگنت لایه‌ای واقعی را شناسایی کرده‌ایم.
ماده‌ای فوق‌نازک با قابلیت تنظیم بالا
شواهد وجود آلترمغناطیس، تنها ویژگی‌ای نبود که ماده Co1/4TaSe2 را برای پژوهشگران جذاب می‌کرد.
این ماده از صفحات بسیار نازکی که روی هم چیده شده‌اند، تشکیل شده است. از آنجا که لایه‌های مجزا اتصال ضعیفی به یکدیگر دارند، پژوهشگران می‌توانند آن‌ها را از هم جدا کرده و در قالب ساختارهای بسیار نازک‌تری با یکدیگر ترکیب کنند. این انعطاف‌پذیری، مواد لایه‌ای را برای دستگاه‌های لایه‌نازک و دیگر فناوری‌های الکترونیکی نوظهور بسیار جذاب می‌سازد.
این دسته از مواد لایه‌ای با نام دی‌کالکوژنیدهای فلزات واسطه یا به اختصار TMDs شناخته می‌شوند.
در ترکیب Co1/4TaSe2، اتم‌های مغناطیسی کبالت که در میان لایه‌ها قرار گرفته‌اند، در ایجاد ویژگی‌های مغناطیسی غیرمعمول آن نقش دارند. همچنین، این ساختار لایه‌ای کنترل قابل‌توجهی را در اختیار دانشمندان قرار می‌دهد تا بتوانند ماده را تغییر داده و مشاهده کنند که چگونه این تغییرات بر خواص الکترونیکی و مغناطیسی آن تاثیر می‌گذارند.
محققان همچنین می‌خواستند مشخص کنند که نشانه‌های الکترونیکی مرتبط با آلترمغناطیس دقیقاً از کجا نشأت می‌گیرند. پیش از انجام این آزمایش‌ها، دانشمندان نمی‌دانستند که آیا ویژگی‌های مهم آلترمغناطیسی در مواد لایه‌ای در درجه اول از سطح ماده سرچشمه می‌گیرند یا از بخش‌های عمیق‌تر و درونی آن.
نتایج اندازه‌گیری‌ها نشان داد که حالت الکترونیکی مربوطه عمدتاً از درون خود ماده نشأت می‌گیرد و شواهد واضحی از نظم آلترمغناطیسی را به نمایش می‌گذارد.
میلو اسپراگ، دانشجوی تحصیلات تکمیلی و پژوهشگر ارشد این مطالعه، می‌گوید:
یافتن شواهدی از آلترمغناطیس در یک پلتفرم مادی چندمنظوره، احتمالات و درهای جدیدی را می‌گشاید. در حال حاضر بحث‌های زیادی در نظریه آلترمغناطیس پیرامون چگونگی تعامل حالت‌های الکترونیکی قطبیده‌شده اسپینی با سایر پدیده‌های مغناطیسی وجود دارد. اکنون ما ماده‌ای در اختیار داریم که می‌توانیم به‌راحتی آن را برای کاوش در این پرسش‌های جدید تغییر دهیم.
استفاده از اسپین الکترون برای قطعات الکترونیکی آینده
تقریباً تمامی قطعات الکترونیکی متداول برای انتقال و پردازش اطلاعات به بار الکترون وابسته‌اند. اما الکترون‌ها دارای ویژگی ذاتی دیگری به نام اسپین نیز هستند که پژوهشگران امیدوارند بتوان از آن در محاسبات رایانه‌ای بهره برد. شاخه‌ای از علم که به استفاده از اسپین الکترون در دستگاه‌های الکترونیکی اختصاص دارد، اسپین‌ترونیک نامیده می‌شود.
مواد آلترمغناطیس به‌طور ویژه‌ای برای علم اسپین‌ترونیک جذاب هستند، زیرا می‌توانند بدون تولید میدان‌های مغناطیسی پراکنده و دردسرساز که در فرومغناطیس‌های معمولی دیده می‌شود، جریان‌های اسپینی را ایجاد و شناسایی کنند.
با کوچک‌تر شدن مداوم دستگاه‌های الکترونیکی، پژوهشگران به مواد جدیدی نیاز دارند که بتوانند سریع‌تر عمل کرده و در عین حال انرژی کمتری مصرف کنند.
مواد لایه‌ای پیش از این برای کاربردهایی نظیر ترانزیستورهای بسیار کوچک، فناوری‌های نوری و دیگر قطعات الکترونیکی پیشرفته در حال مطالعه بوده‌اند. از سوی دیگر، پژوهشگران به‌طور مجزا در حال بررسی راه‌هایی برای استفاده از جریان‌های اسپینی در انتقال اطلاعات دیجیتال هستند.
آلترمگنت‌های لایه‌ای به‌طور بالقوه می‌توانند این دو حوزه را به یکدیگر پیوند دهند. ساختار فوق‌العاده نازک و قابل‌تنظیم آن‌ها می‌تواند کنترل اسپین الکترون را امکان‌پذیر کرده و در عین حال از تداخلات مغناطیسی ایجادشده توسط آهنرباهای معمولی جلوگیری کند.
نئوپانه اظهار می‌دارد:
اگر این رویکرد عملی و موفقیت‌آمیز باشد، آلترمگنت‌های لایه‌ای در خط مقدم توسعه قطعات الکترونیکی قرار خواهند گرفت.
پرسش‌های اساسی درباره آلترمغناطیس همچنان باقی است
این کشف همچنین ابزار مهمی را برای علوم پایه در اختیار محققان قرار می‌دهد: ماده‌ای که در جریان کاوش دانشمندان در مورد بسیاری از پرسش‌های بی‌پاسخ پیرامون آلترمغناطیس در ترکیب Co1/4TaSe2، قابلیت تغییر و مطالعه را داراست.
پژوهشگران هنوز به‌طور کامل درک نکرده‌اند که چرا این حالت مغناطیسی غیرمعمول شکل می‌گیرد، چرا گاهی اوقات بر سایر آرایش‌های مغناطیسی رقیب نظیر فرومغناطیس و سایر اشکال آنتی‌فرومغناطیس ترجیح داده می‌شود، یا اینکه این ماده تحت شرایط مختلف دقیقاً چگونه رفتار می‌کند.
مطالعات نظری نشان می‌دهند که تعاملات رقابتی میان الکترون‌ها ممکن است بر نوع نظم مغناطیسی ایجادشده تاثیر بگذارد. اکنون دانشمندان در تلاشند تا مشخص کنند این نظریه‌ها تا چه حد با دقت می‌توانند آنچه را که واقعاً در مواد حقیقی رخ می‌دهد، توصیف کنند.
نئوپانه در این باره می‌گوید:
جزئیات بسیاری در نظریه نحوه عملکرد آلترمغناطیس‌ها وجود دارد که هنوز مورد بررسی یا راستی‌آزمایی قرار نگرفته‌اند. اکنون که چندین پلتفرم را برای پاسخ به این پرسش‌ها شناسایی کرده‌ایم، مطالعات پیشرفته‌تری بر روی این مواد در حال انجام است.
از آنجا که پژوهشگران می‌توانند ترکیب Co1/4TaSe2 را تغییر داده و نحوه واکنش خواص آن را ردیابی کنند، این ماده بستر آزمایشگاهی جدید و ارزشمندی را برای کاوش در پدیده آلترمغناطیس و تعیین نحوه تعامل آن با سایر اثرات مغناطیسی و الکترونیکی فراهم می‌کند.