مواد و ساخت پیشرفته

محققان دانشگاه ماینز توانستند رده سوم مغناطیس به نام آلترمغناطیس را در عمل تجسم کنند. مدتهاست که دانشمندان فرومغناطیس و پادفرومغناطیس را به عنوان دو دسته از مواد مغناطیسی شناخته‌اند. در سال 2019 میلادی محققان دانشگاه یوهانس گوتنبرگ ماینز دسته سومی از مغناطیس به نام آلترمغناطیس را فرض کردند. این آلترمغناطیس از آن زمان تاکنون موضوع بحث‌های داغ بین کارشناسان بوده است و برخی در مورد وجود آن تردید دارند.

اما اکنون تیمی از محققان تجربی به سرپرستی پروفسور هانس یواخیم المرز در دانشگاه ماینز توانستند برای اولین بار در سینکروترون DESY اثری را که نشانه آلترمغناطیس در نظر گرفته می‌شود اندازه‌گیری کنند و شواهدی برای وجود آن ارائه نمایند و نتایج تحقیق این نوع سوم مغناطیس در Science Advances منتشر شد.فرومغناطیس‌ها همان‌هایی هستند که همه ما آنها را از آهنرباهای یخچال می‌شناسیم، تمام گشتاورهای مغناطیسی خود را در یک جهت تراز می‌کنند، پادفرومغناطیس‌ها دارای گشتاورهای مغناطیسی متناوب هستند.

بنابراین، در سطح ماکروسکوپی، گشتاورهای مغناطیسی پادفرومغناطیس‌ها یکدیگر را خنثی می‌کنند، از اینرو هیچ میدان مغناطیسی خارجی وجود ندارد، که این امر باعث می‌شود آهنرباهای یخچال ساخته شده از این ماده به سادگی از درب یخچال بیفتند. گشتاورهای مغناطیسی در مغناطیس‌های آلترمغناطیس در جهت‌گیری‌شان متفاوت هستند. آلترمغناطیس‌ها مزایای فرومغناطیس‌ها و پادفرومغناطیس‌ها را با هم ترکیب می‌کنند.

گشتاورهای مغناطیسی مجاور آنها مانند پادفرومغناطیس‌ها همیشه ضد موازی با یکدیگرند، بنابراین هیچ اثر مغناطیسی ماکروسکوپی وجود ندارد اما در عین حال آنها یک جریان قطبی اسپین را نشان می‌دهند. جریان‌های الکتریکی معمولاً میدان‌های مغناطیسی ایجاد می‌کنند. با این حال، اگر یک مغناطیس آلترومغناطیس را به عنوان یک کل در نظر بگیریم که قطبش اسپین در باندهای الکترونیکی را در همه جهات ادغام می‌کند آشکار می‌شود که میدان مغناطیسی باید با وجود جریان قطبش اسپین صفر باشد.

از سوی دیگر، اگر توجه به آن دسته از الکترون‌هایی که در جهت خاصی حرکت می‌کنند، محدود شود، نتیجه این است که آنها باید اسپین یکنواخت داشته باشند. المرز می‌گوید: این پدیدۀ همترازی هیچ ارتباطی با آرایش فضایی یا محل قرارگیری الکترون‌ها ندارد بلکه فقط به جهت سرعت الکترون مربوط می‌شود. از آنجاییکه سرعت (v) ضربدر جرم (M) برابر با تکانه (P) است، فیزیکدانان از اصطلاح فضای تکانه در این زمینه استفاده می‌کنند.

المرز ادامه داد تیم ما اولین گروهی بود که به طور آزمایشی تأثیر را تأیید کرد. محققان از یک میکروسکوپ حرکتی سازگار ویژه استفاده کردند. برای آزمایش خود، این تیم یک لایه نازک از دی‌اکسید‌روتنیم را در معرض اشعه ایکس قرار دادند. برانگیختگی حاصل از الکترون ها برای گسیل آنها از لایه دی‌اکسید‌روتنیم و تشخیص آنها کافی بود. براساس توزیع سرعت، محققان توانستند سرعت الکترون‌های موجود در دی‌اکسید‌روتنیم را تعیین کنند و با استفاده از اشعه ایکس قطبی شده دایره‌ای، آنها حتی قادر به استنباط جهت چرخش بودند.

محققان برای میکروسکوپ تکانه خود، صفحه کانونی را که معمولاً برای مشاهده در میکروسکوپ‌های الکترونی استاندارد استفاده می‌شود، تغییر دادند. آشکارساز آنها به جای یک تصویر بزرگ‌نمایی شده از سطح فیلم اکسید‌روتنیم، نمایشی از فضای تکانه را نشان داد. المرز می‌گوید: تکانه‌های متفاوتی در موقعیت‌های مختلف آشکارساز ظاهر می‌شوند. به بیان ساده‌تر، جهت‌های متفاوتی که در آن الکترون‌ها در یک لایه حرکت می‌کنند با نقاط مربوطه روی آشکارساز نشان داده می‌شوند.

آلترمغناطیس ممکن است به اسپینترونیک نیز مرتبط باشد. این شامل استفاده از گشتاور مغناطیسی الکترون‌ها به جای بار آنها در حافظه دسترسی تصادفی پویا است. در نتیجه، ظرفیت ذخیره‌سازی می‌تواند به طور قابل‌توجهی افزایش یابد. المرز پیشنهاد می‌کند که نتایج ما می‌تواند راه‌حلی برای چالش اصلی در زمینه اسپینترونیک باشد. بهره‌برداری از پتانسیل مغناطیس‌های جایگزین، خواندن اطلاعات ذخیره‌شده را براساس قطبش اسپین در باندهای الکترونیکی آسان‌تر می‌کند.

منبع

ارتباط با ستاد در صفحات تلگرام - اینستاگرام - بله