پژوهشگران شواهدی یافتهاند که نشان میدهد دیاکسید روتنیوم مادهای که مدتها غیرمغناطیسی تصور میشد در صورت کاهش ضخامت به چند لایه اتمی میتواند نوعی مغناطیس غیرمتعارف از خود نشان دهد.
به گزارش گروه ترجمه خبرگزاری برنا به نقل از ساینس دیلی؛ پژوهشگران شواهدی از ظهور نوعی رفتار مغناطیسی غیرمعمول در دیاکسید روتنیوم (Ruthenium Dioxide) یافتهاند، مادهای کوانتومی که سالها درباره ویژگیهای مغناطیسی آن بحث وجود داشته است. نتایج این پژوهش نشان میدهد این ماده در صورتی که به شکل یک لایه فوقنازک با ضخامت تنها چند لایه اتمی تهیه شود ممکن است ویژگیهایی مرتبط با نوعی مغناطیس جدید به نام آلترمغناطیس (Altermagnetism) از خود نشان دهد.
آلترمغناطیس یکی از گونههای نوظهور مغناطیس است که در سالهای اخیر توجه پژوهشگران را به خود جلب کرده و میتواند در آینده به توسعه فناوریهای جدید برای ساخت حافظههای رایانهای کوچکتر و کممصرفتر کمک کند.
این مطالعه به سرپرستی مینگ یی، فیزیکدان دانشگاه رایس با همکاری بهارات جالان از دانشگاه مینهسوتا و میلان رادویچ از موسسه پل شرر انجام شده و نتایج آن در مجله Science Advances منتشر شده است.
دیاکسید روتنیوم یکی از نخستین موادی بود که بهعنوان گزینهای برای آلترمغناطیس پیشنهاد شد، اما بررسی نمونههای حجیم یا تودهای این ماده شواهد قانعکنندهای از وجود مغناطیس در آن نشان نداده بود.
مینگ یی دانشیار فیزیک و نجوم دانشگاه رایس، درباره این یافته گفت: دیاکسید روتنیوم یکی از نخستین موادی بود که بهعنوان نامزد آلترمغناطیس پیشنهاد شد، اما مطالعات انجامشده روی شکل حجیم آن شواهدی از مغناطیس نشان ندادند. پژوهش ما نشان میدهد که شکل فوقنازک آن از سوی دیگر ممکن است کلید مغناطیسی شدن این ماده باشد.
به گفته پژوهشگران تفاوت مشاهدهشده میان نمونه حجیم و نمونه فوقنازک نشان میدهد که ویژگیهای مغناطیسی یک ماده کوانتومی لزوما در مقیاسهای مختلف یکسان باقی نمیماند و کاهش ضخامت میتواند رفتار الکترونهای آن را تغییر دهد.
پژوهشگران برای بررسی رفتار مغناطیسی دیاکسید روتنیوم فوقنازک بافت اسپینی (Spin Texture) آن را مورد مطالعه قرار دادند. بافت اسپینی به نحوه آرایش گشتاورهای مغناطیسی مرتبط با اسپین الکترونها در بخشهای مختلف یک ماده گفته میشود.
بررسی این الگوها میتواند به دانشمندان کمک کند مشخص کنند که آیا یک ماده دارای ویژگی مغناطیسی است و در صورت وجود مغناطیس این مغناطیس چه ساختاری دارد.
برای انجام این اندازهگیری گروه پژوهشی از روش طیفسنجی فوتوالکترون گسیلی با تفکیک اسپین و تفکیک زاویهای (Spin-Resolved Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy) استفاده کرد. این روش که به اختصار Spin-ARPES نامیده میشود امکان بررسی دقیق ساختار الکترونی و ویژگیهای مرتبط با اسپین در یک ماده را فراهم میکند.
پژوهشگران با استفاده از این روش توانستند الگوهای اسپینی الکترونها را در نمونه فوقنازک دیاکسید روتنیوم اندازهگیری و بررسی کنند.
ییچن ژانگ نویسنده اول مقاله و فارغالتحصیل اخیر دانشگاه رایس گفت: پس از تحلیل اندازهگیریهای خود و با استفاده از محاسبات نظری برای تفسیر نتایج دریافتیم که دیاکسید روتنیوم در شرایط آزمایش ما بافتهای اسپینی سازگار با مغناطیس غیرمتعارف از خود نشان میدهد.
او افزود: این موضوع نشان میدهد که دیاکسید روتنیوم حجیم و فوقنازک در شرایط مناسب ممکن است ویژگیهای مغناطیسی کاملا متفاوتی داشته باشند.
یکی از عوامل مهم در این آزمایش کرنش شبکهای (Lattice Strain) بود. کرنش شبکهای به تغییر یا کشیدگی ساختار شبکه بلوری ماده گفته میشود و میتواند بر نحوه رفتار الکترونها تأثیر بگذارد.
پژوهشگران دریافتند هنگامی که دیاکسید روتنیوم فوقنازک در شرایط دارای کرنش شبکهای قرار گرفت الگوهای اسپینی مشاهدهشده شباهتهایی با آنچه از آلترمغناطیس انتظار میرود نشان دادند.
در مقابل، در شرایطی که این کرنش وجود نداشت از جمله در شکل طبیعی و حجیم ماده پژوهشگران همان رفتار مشابه آلترمغناطیس را مشاهده نکردند.
ژانگ در اینباره گفت: وابستگی این رفتار به کرنش نشان میدهد که ممکن است بتوانیم از کرنش شبکهای بهعنوان یک ابزار تنظیمکننده برای ایجاد یا کنترل آلترمغناطیس استفاده کنیم.
به گفته او چنین قابلیتی میتواند هنگام طراحی نسل آینده اسپینترونیک (Spintronics) و معماریهای حافظه دسترسی تصادفی (RAM) بسیار مفید باشد.
اسپینترونیک شاخهای از فناوری الکترونیک است که علاوه بر بار الکتریکی از ویژگی اسپین الکترونها برای ذخیره، انتقال و پردازش اطلاعات استفاده میکند. از این رو موادی که امکان کنترل دقیق حالت اسپینی آنها وجود داشته باشد میتوانند در توسعه نسلهای آینده تجهیزات ذخیرهسازی و پردازشی اهمیت پیدا کنند.
در فناوریهای رایانهای کوچکتر شدن اجزای حافظه و افزایش بهرهوری انرژی از اهداف مهم پژوهشهای مواد و الکترونیک است. ویژگیهای منحصربهفرد آلترمغناطیس میتواند مسیرهای تازهای برای کنترل اسپین الکترونها و استفاده از آنها در قطعات الکترونیکی ایجاد کند.
در این زمینه قابلیت کنترل رفتار مغناطیسی یک ماده از طریق تغییر شرایط ساختاری آن اهمیت ویژهای دارد. یافتههای جدید درباره دیاکسید روتنیوم نشان میدهد که ضخامت ماده و میزان کرنش شبکهای ممکن است به ابزارهایی برای تنظیم حالت مغناطیسی آن تبدیل شوند.
نتایج این مطالعه به معنای آن نیست که دیاکسید روتنیوم در هر شرایطی یک آلترمغناطیس پایدار است بلکه پژوهشگران تأکید دارند که رفتار مشاهدهشده به شرایط آزمایشگاهی از جمله ساختار فوقنازک و کرنش شبکهای وابسته است.
دیاکسید روتنیوم طی سالهای گذشته در مرکز یک بحث علمی طولانی درباره ماهیت مغناطیسی خود قرار داشته است. پژوهشگران تلاش کردهاند مشخص کنند آیا شکل حجیم این ماده واقعا مغناطیسی است یا خیر.
دیدگاه غالب در این حوزه به این سمت رفت که دیاکسید روتنیوم حجیم رفتار مغناطیسی نشان نمیدهد، اما نتایج مطالعه جدید نشان میدهد که این تصویر ممکن است برای نمونههایی از همین ماده که به چند لایه اتمی کاهش یافتهاند و در شرایط کنترلشده قرار گرفتهاند متفاوت باشد.
یی با اشاره به پیچیدگی بررسی ویژگیهای مواد کوانتومی گفت: این پژوهش نشان میدهد که این پرسشها تا چه اندازه میتوانند پیچیده باشند.
او تاکید کرد که آمادهسازی باکیفیت ماده و پروتکل دقیق اندازهگیری برای مشاهده صحیح ویژگیهای اسپینی الکترونها اهمیت زیادی داشته است.
به گفته یی تحلیل دقیق دادههای حاصل از طیفسنجی فوتوالکترون گسیلی با تفکیک اسپین و تفکیک زاویهای به پژوهشگران اجازه داد نهتنها تقارنهای مرتبط با حالت مغناطیسی را تعیین کنند بلکه یک مسیر بالقوه برای کنترل این حالت در نسل آینده مواد کوانتومی نیز شناسایی کنند.
این یافته نشان میدهد که بررسی مواد در مقیاسهای بسیار کوچک میتواند ویژگیهایی را آشکار کند که در نمونههای حجیم قابل مشاهده نیستند. در مورد دیاکسید روتنیوم ترکیب ضخامت چندلایهای، کرنش شبکهای و کنترل ساختار الکترونی ممکن است راهی برای ایجاد و تنظیم رفتار مغناطیسی غیرمتعارف و در آینده استفاده از آن در فناوریهای کوانتومی و اسپینترونیک فراهم کند.
انتهای پیام/