کشف نوع جدیدی از مغناطیس در یک ماده مهندسی شده | مجله کوانتا

تمام آهنرباهایی که تا به حال با آنها تعامل داشته اید، مانند چوچک هایی که به در یخچال شما چسبیده اند، به همین دلیل مغناطیسی هستند. اما اگر راه دیگری و عجیب‌تر برای مغناطیسی کردن مواد وجود داشت، چه؟

در سال 1966، فیزیکدان ژاپنی یوسوکه ناگائوکا آبستن شد نوعی مغناطیس تولید شده توسط رقص به ظاهر غیر طبیعی الکترون ها در یک ماده فرضی. اکنون، تیمی از فیزیکدانان نسخه ای از پیش بینی های ناگائوکا را در یک ماده مهندسی شده با ضخامت تنها شش اتم مشاهده کرده اند.

کشف اخیرا در مجله منتشر شده است طبیعت، نشان دهنده آخرین پیشرفت در شکار پنج دهه فرومغناطیس ناگائوکا است که در آن ماده مغناطیسی می شود زیرا الکترون های درون آن انرژی جنبشی خود را به حداقل می رساند، برخلاف آهن رباهای سنتی. یکی از نویسندگان این مطالعه گفت: "به همین دلیل است که من این نوع تحقیق را انجام می دهم: چیزهایی را می آموزم که قبلاً نمی دانستیم، چیزهایی را می بینم که قبلاً ندیده ایم." لیویو چیورسیارو، که این کار را در زمانی که کاندیدای دکترا در مؤسسه الکترونیک کوانتومی زوریخ مؤسسه فناوری فدرال سوئیس بود به پایان رساند.

در 2020، محققان فرومغناطیس ناگائوکا را ایجاد کردند در یک سیستم کوچک که فقط شامل سه الکترون است، یکی از کوچکترین سیستم های ممکن که این پدیده می تواند در آن رخ دهد. در مطالعه جدید، Ciorciaro و همکارانش آن را در یک سیستم توسعه یافته انجام دادند - یک ساختار طرح‌دار به نام شبکه moiré که از دو ورقه نازک نانومتری تشکیل شده است.

گفت: این مطالعه "یک استفاده بسیار جالب از این شبکه های موآر است که نسبتا جدید هستند." خوان پابلو دهولین، یکی از نویسندگان مطالعه 2020 که کار را در دانشگاه صنعتی دلفت تکمیل کرد. به نوعی به این فرومغناطیس نگاه می کند.

وقتی چرخش های موازی شما باعث شروع یک میدان می شود

فرومغناطیس سنتی به این دلیل به وجود می آید که الکترون ها یکدیگر را خیلی دوست ندارند، بنابراین تمایلی به ملاقات ندارند.

دو الکترون را تصور کنید که در کنار هم نشسته اند. آنها یکدیگر را دفع می کنند زیرا هر دو دارای بار الکتریکی منفی هستند. کم انرژی ترین حالت آنها آنها را از هم دور می یابد. و سیستم ها، به عنوان یک قاعده، در کم انرژی ترین حالت خود قرار می گیرند.

طبق مکانیک کوانتومی، الکترون ها دارای چند ویژگی حیاتی دیگر هستند. اول، آنها کمتر شبیه نقاط منفرد و بیشتر شبیه ابرهای احتمالی مه رفتار می کنند. دوم، آنها یک خاصیت کوانتومی به نام اسپین دارند که چیزی شبیه آهنربای داخلی است که می تواند به سمت بالا یا پایین اشاره کند. و سوم، دو الکترون نمی توانند در یک حالت کوانتومی باشند.

در نتیجه، الکترون‌هایی که اسپین یکسانی دارند واقعاً می‌خواهند از یکدیگر دور شوند - اگر در یک مکان باشند، با اسپین یکسان، خطر اشغال همان حالت کوانتومی را به دنبال دارند. الکترون های همپوشانی با اسپین های موازی کمی دورتر از یکدیگر می مانند.

در حضور یک میدان مغناطیسی خارجی، این پدیده می‌تواند به اندازه‌ای قوی باشد که اسپین‌های الکترون را مانند آهن‌رباهای میله‌ای کوچک به یکدیگر متصل کند و یک میدان مغناطیسی ماکروسکوپی در ماده ایجاد کند. در فلزاتی مانند آهن، این فعل و انفعالات الکترونی، که به آنها برهمکنش های تبادلی می گویند، آنقدر قوی هستند که مغناطش القایی، تا زمانی که فلز بیش از حد گرم نشود، دائمی است.

یکی از نویسندگان این مطالعه گفت: «دلیل اینکه ما در زندگی روزمره مغناطیس داریم، قدرت برهمکنش های تبادل الکترون است. Ataç İmamoğlu، یک فیزیکدان همچنین در موسسه الکترونیک کوانتومی.

با این حال، همانطور که ناگائوکا در دهه 1960 نظریه پردازی کرد، فعل و انفعالات مبادله ای ممکن است تنها راه مغناطیسی کردن یک ماده نباشد. ناگائوکا یک شبکه مربعی و دو بعدی را تصور کرد که در آن هر مکان روی شبکه فقط یک الکترون داشت. سپس متوجه شد که اگر یکی از آن الکترون ها را تحت شرایط خاصی حذف کنید چه اتفاقی می افتد. همانطور که الکترون‌های باقی‌مانده شبکه برهمکنش می‌کردند، حفره‌ای که الکترون از دست رفته در آن قرار داشت در اطراف شبکه می‌چرخید.

در سناریوی ناگائوکا، انرژی کلی شبکه زمانی که اسپین های الکترون آن همه در یک راستا قرار می گیرند، به کمترین میزان خود می رسد. هر پیکربندی الکترونی یکسان به نظر می رسد - گویی الکترون ها کاشی های یکسان در خسته کننده ترین نقاط جهان هستند. پازل کاشی کشویی. این اسپین های موازی، به نوبه خود، ماده را فرومغناطیسی می کنند.

وقتی دو شبکه با پیچش یک الگو وجود دارد

امام اوغلو و همکارانش تصور می‌کردند که می‌توانند مغناطیس ناگائوکا را با آزمایش ورقه‌های تک لایه‌ای از اتم‌ها ایجاد کنند که می‌توانند روی هم چیده شوند تا یک الگوی پیچیده موآر تشکیل دهند (تلفظ mwah-ray). در مواد اتمی نازک و لایه‌ای، الگوهای موآر می‌توانند به طور اساسی نحوه رفتار الکترون‌ها و در نتیجه مواد را تغییر دهند. به عنوان مثال، در سال 2018، فیزیکدان پابلو جاریلو-هررو و همکارانش نشان که پشته های دو لایه گرافن زمانی که دو لایه را با یک پیچ و تاب خنثی کردند، توانایی ابررسانایی را به دست آوردند.

مواد Moiré از آن زمان به عنوان یک سیستم جدید قانع کننده برای مطالعه مغناطیس ظاهر شده اند که در کنار ابرهایی از اتم های فوق سرد و مواد پیچیده مانند کوپرات ها قرار گرفته اند. امام اوغلو گفت: «مواد Moiré زمین بازی را برای سنتز و مطالعه حالت‌های جسمی متعدد الکترون‌ها در اختیار ما قرار می‌دهند.

محققان با سنتز ماده ای از تک لایه های نیمه هادی مولیبدن دیزلنید و تنگستن دی سولفید، که متعلق به دسته ای از مواد هستند، شروع کردند. شبیه سازی های گذشته به این معنی بود که می تواند مغناطیس سبک ناگائوکا را نشان دهد. آن‌ها سپس میدان‌های مغناطیسی ضعیف با قدرت‌های متفاوت را روی ماده موآر اعمال کردند و در عین حال تعداد زیادی از اسپین‌های الکترون ماده را که با میدان‌ها همسو هستند، ردیابی کردند.

محققان سپس این اندازه‌گیری‌ها را در حالی که ولتاژهای متفاوتی را در سراسر ماده اعمال می‌کردند، تکرار کردند، که تعداد الکترون‌های موجود در شبکه موآره را تغییر داد. چیز عجیبی پیدا کردند. این ماده بیشتر مستعد تراز شدن با یک میدان مغناطیسی خارجی بود - یعنی رفتار فرومغناطیسی بیشتر - تنها زمانی که تا 50٪ الکترون های بیشتری نسبت به محل های شبکه داشت. و هنگامی که شبکه دارای الکترون های کمتری نسبت به محل های شبکه بود، محققان هیچ نشانه ای از فرومغناطیس را مشاهده نکردند. اگر فرومغناطیس ناگائوکا با موضوع استاندارد کار می کرد، این برعکس آن چیزی بود که آنها انتظار داشتند ببینند.

با وجود این که مواد مغناطیسی بودند، به نظر نمی رسید که تعاملات مبادله ای باعث ایجاد آن شود. اما ساده‌ترین نسخه‌های نظریه ناگائوکا نیز ویژگی‌های مغناطیسی آن را به طور کامل توضیح ندادند.

وقتی چیزهای شما مغناطیسی می شوند و تا حدودی شگفت زده می شوید

در نهایت به حرکت خلاصه شد. الکترون‌ها انرژی جنبشی خود را با پخش شدن در فضا کاهش می‌دهند، که می‌تواند باعث شود تابع موجی که حالت کوانتومی یک الکترون را توصیف می‌کند با همسایگانش همپوشانی پیدا کند و سرنوشت آنها را به هم پیوند دهد. در مواد این تیم، زمانی که تعداد الکترون‌ها در شبکه موآره بیشتر از مکان‌های شبکه بود، وقتی الکترون‌های اضافی مانند مه در مرحله برادوی پمپ می‌شوند، انرژی ماده کاهش می‌یابد. آنها سپس به طور گذرا با الکترون های شبکه جفت شدند تا ترکیبات دو الکترونی به نام دوبلون را تشکیل دهند.

این الکترون‌های اضافی گردشگر، و دوبلون‌هایی که مدام تشکیل می‌دادند، نمی‌توانستند تغییر مکان دهند و در داخل شبکه پخش شوند، مگر اینکه الکترون‌های محل‌های شبکه اطراف همگی اسپین‌های هم‌تراز داشته باشند. از آنجایی که ماده بی وقفه پایین ترین حالت انرژی خود را دنبال می کرد، نتیجه نهایی این بود که دوبلون ها تمایل به ایجاد مناطق فرومغناطیسی کوچک و محلی داشتند. تا آستانه معینی، هر چه دوبلون های بیشتری از طریق شبکه عبور کنند، ماده فرومغناطیسی قابل تشخیص بیشتری پیدا می کند.

بسیار مهم، ناگائوکا این نظریه را مطرح کرد که این اثر زمانی که یک شبکه دارای الکترون های کمتری نسبت به مکان های شبکه باشد، عمل می کند، چیزی که محققان مشاهده نکردند. اما با توجه به کار نظری تیم - منتشر شده در تحقیق مروری فیزیکی در ژوئن پیش از نتایج تجربی - این تفاوت به ویژگی‌های هندسی شبکه مثلثی است که آنها در برابر مربع در محاسبات ناگائوکا استفاده کردند.

این یک مویره است

به این زودی نمی توانید فرومغناطیس های جنبشی را به یخچال خود بچسبانید، مگر اینکه آشپزی خود را در یکی از سردترین مکان های جهان انجام دهید. محققان ماده موآر را از نظر رفتار فرومغناطیسی در 140 میلی‌کلوین یخ‌زده ارزیابی کردند.

برای ایماموغلو، این ماده با این وجود راه‌های جدید هیجان‌انگیزی را برای بررسی رفتار الکترون‌ها در جامدات و در کاربردهایی که ناگائوکا فقط می‌توانست رویای آنها را داشته باشد، نشان می‌دهد. با همکاری یوجین دملر و ایوان موررا ناواروفیزیکدان نظری در موسسه فیزیک نظری، او می‌خواهد بررسی کند که آیا مکانیسم‌های جنبشی مانند مکانیسم‌های موجود در ماده موآر می‌توانند برای دستکاری ذرات باردار و جفت شدن استفاده شوند، و به طور بالقوه راه را به سمت مکانیزم جدیدی برای ابررسانایی نشان می‌دهند.

او گفت: «من نمی گویم که این هنوز امکان پذیر است. "این جایی است که من می خواهم بروم."