کشف نوع جدیدی از مغناطیس در بلورهای مصنوعی دوبعدی نیکل یدید

برای نخستین بار، گروهی از دانشمندان بین‌المللی موفق شدند نوعی مغناطیس نوظهور با نام مغناطیس موج p را به طور تجربی در بلورهای مصنوعی دوبعدی نیکل یدید (NiI2) مشاهده کنند. این دستاورد می‌تواند مسیر توسعه نسل جدید دستگاه‌های الکترونیکی و اسپینترونیکی با سرعت بالا و مصرف انرژی پایین را متحول سازد و در عین حال درک ما را از فیزیک کوانتومی بنیادی گسترش دهد.

دکتر ریچاردو کومین، فیزیکدان مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) و از اعضای اصلی تیم تحقیقاتی، توضیح می‌دهد: "در آن زمان این یک ایده کاملاً جدید بود. ما تصمیم گرفتیم نیکل یدید را به دلیل ویژگی‌های خاصش به‌طور تجربی بررسی کنیم چرا که آن را گزینه‌ای عالی برای نمایش این نوع مغناطیس موج p می‌دانستیم."

پیش‌زمینه علمی: شناخت مغناطیس در مقیاس اتمی مغناطیس‌های معمولی با هم‌ترازی گشتاور زاویه‌ای ذاتی یا همان "اسپین" الکترون‌ها عمل می‌کنند تا میدان‌های مغناطیسی اتمی کوچک آنها در یک جهت قرار گیرد. در مقابل، مواد آنتی‌فرومغناطیس دارای اسپین‌هایی هستند که به صورت دقیق در جهت مخالف هم قرار گرفته و باعث حذف مغناطیس کلان می‌شوند.

مغناطیس موج p یک حالت هیبرید غیرمعمول محسوب می‌شود؛ این حالت ویژگی‌های فرومغناطیس و آنتی‌فرومغناطیس را ترکیب می‌کند. در این فاز جدید، اسپین‌های الکترون‌ها در لایه‌های فوق‌نازک نیکل یدید، الگوهایی مارپیچ و آینه‌ای می‌سازند. چنین آرایشی میدان مغناطیسی مجموع را حذف می‌کند اما ناشی از برهم‌کنش‌های محلی دقیق میان اسپین‌هاست. این ساختارهای ویژه اسپینی سال‌ها توسط فیزیکدانان پیش‌بینی شده بودند اما هرگز در بلور واقعی مشاهده نشده بودند؛ تا به امروز.

آزمایش: آشکارسازی مغناطیس مارپیچی برای مشاهده این پدیده، پژوهشگران صفحات فوق‌العاده نازک نیکل یدید را در کوره‌ای با دمای بالا و تحت کنترل دقیق سنتز کردند. هنگامی که این بلورهای سنتزی با نور قطبیده مارپیچی تابش شدند، تیم پژوهشی موفق به مشاهده مستقیم آرایش‌های مارپیچی اسپین الکترون‌ها شد که پیش از این فقط به صورت نظری مطرح بودند.

علاوه بر این مشاهده، نتیجه قابل توجه دیگری نیز حاصل شد: دانشمندان توانستند کنترل الکتریکی بر مغناطیس مارپیچی برقرار کنند. با اعمال میدان الکتریکی کوچک، آنها قادر بودند جهت‌گیری و ویژگی‌های مغناطیسی این آرایش را به‌ دلخواه تنظیم کنند.

نظرات تخصصی دکتر چیان سونگ، فیزیکدان MIT، اهمیت علمی و کاربردی این کشف را چنین توضیح می‌دهد: "ما نشان دادیم که این نوع جدید مغناطیس قابل کنترل الکتریکی است. این دستاورد مسیر توسعه نسل جدید حافظه‌های مغناطیسی بسیار سریع، کوچک، کم‌مصرف و غیرفرار را هموار می‌کند."

پیامدهای فناوری و فیزیک بنیادی کشف مغناطیس مارپیچی قابل کنترل با برق، افق‌ جدیدی پیش روی علم اسپینترونیک می‌گشاید – دانشی که با بهره‌برداری از اسپین الکترون، به جای بار الکتریکی، امکان پردازش و ذخیره اطلاعات را فراهم می‌کند. مدل‌های نظری نشان می‌دهند این حالت مغناطیسی قابل تنظیم، می‌تواند توسعه حافظه و مدارهای منطقی کوچک‌تر، سریع‌تر و با مصرف انرژی بسیار کمتر از سامانه‌های الکترونیکی سنتی را ممکن سازد.

در عصری که نیاز به انرژی با گسترش کاربردهایی همچون هوش مصنوعی به شدت افزایش یافته، چنین نوآوری‌هایی حیاتی خواهند بود. دکتر سونگ می‌گوید: "برای کنترل این سوئیچینگ مغناطیسی، تنها به میدان الکتریکی بسیار کمی نیاز داریم. آهنرباهای موج p پتانسیل صرفه‌جویی تا پنج مرتبه انرژی را دارند که بسیار چشمگیر است."

چالش‌ها و آینده پیش رو مانند همه اکتشافات برجسته علمی، اجرای عملی آن مستلزم رفع چالش‌های فنی است. در حال حاضر سامانه‌های آزمایشی نیازمند شرایط دقیق آزمایشگاهی و تنظیمات خاص هستند که کاربرد تجاری فوری را محدود می‌کند. با این حال، این یافته‌ها زمینه را برای تحقیقات نوین در حوزه مواد کوانتومی، مغناطیس غیرمتعارف و فناوری‌های حافظه نسل بعد فراهم می‌آورد.

در آینده، ممکن است سامانه‌های الکترونیکی بر پایه کنترل اسپین الکترون ایجاد شوند و موجب افزایش بازده و ورود به عصر جدیدی از رایانش و ذخیره‌سازی اطلاعات کم‌مصرف شوند.

جمع‌بندی مشاهده و کنترل مغناطیس مارپیچی موج p در بلورهای مصنوعی نیکل یدید، جهشی تاریخی در شناخت مواد کوانتومی است. این پژوهش با ترکیب علم بنیادین و چشم‌انداز کاربردی، ضمن تعمیق فهم ما از حالات مغناطیسی خاص، می‌تواند صنعت الکترونیک و فناوری اطلاعات را دگرگون کند. با پیشرفت تحقیقات، این نوع دستاوردها ممکن است به حافظه‌های فوق متراکم، سریع و کم‌مصرف منجر شود و به نیازهای دنیای دیجیتال فردا پاسخ دهد.