סוג חדש של מגנטיות מנוקד בחומר מהונדס | מגזין קוונטה

כל המגנטים שאי פעם יצרתם איתם אינטראקציה, כמו ה-tchotchkes המודבקים לדלת המקרר שלכם, הם מגנטיים מאותה סיבה. אבל מה אם הייתה דרך אחרת ומוזרה יותר להפוך חומר למגנטי?

בשנת 1966, הגה הפיזיקאי היפני יוסוקה נגאוקה סוג של מגנטיות נוצר על ידי ריקוד לא טבעי לכאורה של אלקטרונים בתוך חומר היפותטי. כעת, צוות של פיזיקאים הבחין בגרסה של תחזיותיו של נגאוקה מתנגנת בתוך חומר מהונדס בעובי של שישה אטומים בלבד.

התגלית, לאחרונה פורסם בכתב העת טבע, מסמן את ההתקדמות האחרונה במצוד בן חמשת העשורים אחר פרומגנטיות Nagaoka, שבה חומר מתמגנט כשהאלקטרונים בתוכו ממזערים את האנרגיה הקינטית שלהם, בניגוד למגנטים המסורתיים. "זו הסיבה שאני עושה מחקר מהסוג הזה: אני זוכה ללמוד דברים שלא ידענו קודם, לראות דברים שלא ראינו בעבר", אמר מחבר המחקר ליביו סיורסיארו, שהשלים את העבודה כשהיה מועמד לדוקטורט במכון השוויצרי הפדרלי לטכנולוגיה של ציריך לאלקטרוניקה קוונטית.

ב2020, חוקרים יצרו פרומגנטיות של Nagaoka במערכת זעירה המכילה שלושה אלקטרונים בלבד, אחת המערכות הקטנות ביותר האפשריות שבהן התופעה יכולה להתרחש. במחקר החדש, Ciorciaro ועמיתיו גרמו לזה לקרות במערכת מורחבת - מבנה מעוצב הנקרא סריג מוארה שנוצר משתי יריעות דקות ננומטר.

המחקר הזה "הוא שימוש ממש מגניב בסריגי המוארה האלה, שהם חדשים יחסית", אמר חואן פבלו דהוליין, מחבר שותף במחקר 2020 שהשלים את העבודה באוניברסיטת דלפט לטכנולוגיה. "זה מסתכל על הפרומגנטיות הזו בצורה אחרת."

כאשר הסיבובים המקבילים שלך גורמים לשדה להתחיל

פרומגנטיות מסורתית נוצרת בגלל שהאלקטרונים לא אוהבים זה את זה במיוחד, ולכן אין להם רצון להיפגש.

דמיינו שני אלקטרונים יושבים זה ליד זה. הם ידחו אחד את השני כי לשניהם יש מטענים חשמליים שליליים. מצב האנרגיה הנמוך ביותר שלהם ימצא אותם רחוקים זה מזה. ומערכות, ככלל, מתיישבות במצב האנרגיה הנמוך ביותר שלהן.

לפי מכניקת הקוונטים, לאלקטרונים יש כמה תכונות קריטיות אחרות. ראשית, הם מתנהגים פחות כמו נקודות בודדות ויותר כמו ענני ערפל הסתברותיים. שנית, יש להם תכונה קוונטית שנקראת ספין, שהיא משהו כמו מגנט פנימי שיכול להצביע למעלה או למטה. ושלישית, שני אלקטרונים לא יכולים להיות באותו מצב קוונטי.

כתוצאה מכך, אלקטרונים בעלי אותו ספין באמת ירצו להתרחק אחד מהשני - אם הם נמצאים באותו מקום, עם אותו ספין, הם מסתכנים בתפוסה של אותו מצב קוונטי. אלקטרונים חופפים עם ספינים מקבילים נשארים מעט רחוקים יותר מזה שהם היו עושים אחרת.

בנוכחות שדה מגנטי חיצוני, תופעה זו יכולה להיות חזקה מספיק כדי לשכנע את סיבובי האלקטרונים להתייצב כמו מגנטים מוטים קטנים, וליצור שדה מגנטי מקרוסקופי בתוך החומר. במתכות כגון ברזל, אינטראקציות אלקטרונים אלו, הנקראות אינטראקציות חליפין, הן כה חזקות עד שהמגנטיזציה המושרה היא קבועה, כל עוד המתכת לא מתחממת יותר מדי.

"עצם הסיבה שיש לנו מגנטיות בחיי היומיום שלנו היא בגלל החוזק של אינטראקציות חילופי אלקטרונים", אמר מחבר המחקר Ataç İmamoğlu, פיזיקאי גם במכון לאלקטרוניקה קוונטית.

עם זאת, כפי שנגאוקה חשב בשנות ה-1960, ייתכן שאינטראקציות חילופיות אינן הדרך היחידה להפוך חומר למגנטי. נאגאוקה ראה בעיני רוחו סריג מרובע ודו-ממדי שבו לכל אתר על הסריג יש רק אלקטרון אחד. ואז הוא חשב מה יקרה אם תסיר את אחד האלקטרונים האלה בתנאים מסוימים. כאשר האלקטרונים הנותרים של הסריג היו אינטראקטיביים, החור שבו היה האלקטרון החסר היה מתחלק סביב הסריג.

בתרחיש של Nagaoka, האנרגיה הכוללת של הסריג תהיה הנמוכה ביותר כאשר ספיני האלקטרונים שלו היו מיושרים. כל תצורת אלקטרונים תיראה זהה - כאילו האלקטרונים היו אריחים זהים במקומות המשעממים ביותר בעולם פאזל אריחים הזזה. ספינים מקבילים אלה, בתורם, יהפכו את החומר לפרומגנטי.

כששתי רשתות עם טוויסט גורמים לתבנית להתקיים

לאיממוגלו ועמיתיו היה מושג שהם יכולים ליצור מגנטיות של Nagaoka על ידי ניסויים ביריעות חד-שכבתיות של אטומים שניתן לערום יחד ליצירת תבנית מוריה מורכבת (מבוטא mwah-ray). בחומרים דקים אטומיים עם שכבות, דפוסי מוריה יכולים לשנות באופן קיצוני את אופן התנהלות האלקטרונים - וכך גם החומרים. לדוגמה, בשנת 2018 הפיזיקאי פבלו ז'רילו-הררו ועמיתיו מופגן שערימות דו-שכבתיות של גרפן זכו ליכולת מוליכות-על כשהן קיזזו את שתי השכבות בפיתול.

חומרי Moiré הופיעו מאז כמערכת חדשה ומשכנעת שבה ניתן ללמוד מגנטיות, מחוררת לצד עננים של אטומים מקוררים וחומרים מורכבים כמו קופרטים. "חומרי Moiré מספקים לנו מגרש משחקים לסינתזה ולחקר מצבי אלקטרונים בגוף רבים", אמר אימאמוגלו.

החוקרים התחילו בסינתזה של חומר משכבות חד-שכבות של מוליכים למחצה מוליבדן דיסלניד וטונגסטן דיסולפיד, השייכים לסוג של חומרים אשר סימולציות עבר השתמע שיכול להפגין מגנטיות בסגנון נאגאוקה. לאחר מכן הם הפעילו שדות מגנטיים חלשים בעוצמות שונות על חומר המוארה תוך מעקב אחר כמה מספינות האלקטרונים של החומר מיושרים עם השדות.

לאחר מכן חזרו החוקרים על המדידות הללו תוך הפעלת מתחים שונים על פני החומר, מה ששינה את מספר האלקטרונים שהיו בסריג המוארה. הם מצאו משהו מוזר. החומר היה נוטה יותר להתיישר עם שדה מגנטי חיצוני - כלומר להתנהג בצורה פרומגנטית יותר - רק כאשר היו בו עד 50% יותר אלקטרונים מאשר היו אתרי סריג. וכאשר לסריג היו פחות אלקטרונים מאתרי סריג, החוקרים לא ראו סימנים לפרומגנטיות. זה היה ההפך ממה שהם היו מצפים לראות אם הפרומגנטיות של Nagaoka עם נושא סטנדרטי היה פועל.

עם זאת החומר מתמגנט, נראה שאינטראקציות חילופיות לא הניעו אותו. אבל גם הגרסאות הפשוטות ביותר של התיאוריה של נגאוקה לא הסבירו במלואן את התכונות המגנטיות שלה.

כשהדברים שלך התמגנטו ואתה קצת מופתע

בסופו של דבר, זה הסתכם בתנועה. אלקטרונים מורידים את האנרגיה הקינטית שלהם על ידי התפשטות בחלל, מה שעלול לגרום לפונקציית הגל המתארת ​​את המצב הקוונטי של אלקטרון אחד לחפוף לאלה של שכניו, ולחבר את גורלם יחד. בחומר של הצוות, ברגע שהיו יותר אלקטרונים בסריג המוארה מאשר היו אתרי סריג, האנרגיה של החומר פחתה כאשר האלקטרונים הנוספים התנתקו כמו ערפל שנשאב על פני במת ברודווי. לאחר מכן הם התחברו באופן חולף לאלקטרונים בסריג כדי ליצור שילובים של שני אלקטרונים הנקראים דובלונים.

האלקטרונים הנוספים הנודדים הללו, והדאבלונים שהם המשיכו ליצור, לא יכלו להתפשט ולהתפשט בתוך הסריג אלא אם כן האלקטרונים באתרי הסריג שמסביב היו כולם עם ספינים מיושרים. כשהחומר המשיך ללא רחם למצב האנרגיה הנמוך ביותר שלו, התוצאה הסופית הייתה שדאבלונים נטו ליצור אזורים פרומגנטיים קטנים ומקומיים. עד לסף מסוים, ככל שיש יותר דובלונים שעוברים דרך הסריג, כך החומר הופך לפרומגנטי יותר בר זיהוי.

באופן מכריע, Nagaoka תיארה שהאפקט הזה יעבוד גם כאשר לסריג יהיו פחות אלקטרונים מאתרי סריג, וזה לא מה שהחוקרים ראו. אבל על פי העבודה התיאורטית של הצוות - פורסם ב מחקר סקירה גופנית ביוני לפני תוצאות הניסוי - ההבדל הזה מסתכם במוזרויות הגיאומטריות של הסריג המשולש שבו השתמשו לעומת הריבוע בחישובים של נגאוקה.

זה א-מורה

לא תוכל להדביק פרומגנטים קינטיים למקרר שלך בזמן הקרוב, אלא אם כן תעשה את הבישול שלך באחד המקומות הקרים ביותר ביקום. חוקרים העריכו את חומר המוארה להתנהגות פרומגנטית ב-140 מילקלווין כפור.

ל-Imamoğlu, החומר בכל זאת חושף אפיקים חדשים ומלהיבים לבדיקת התנהגות אלקטרונים במוצקים - וביישומים שנגאוקה רק יכלה לחלום עליהם. בשיתוף עם יוג'ין דמלר ו איבן מורה נבארו, פיזיקאים תיאורטיים במכון לפיזיקה תיאורטית, הוא רוצה לחקור האם ניתן להשתמש במנגנונים קינטיים כמו אלה שמשחקים בחומר המוארה כדי לתמרן חלקיקים טעונים להזדווגות, מה שעלול להצביע על הדרך לעבר מנגנון חדש של מוליכות-על.

"אני לא אומר שזה אפשרי עדיין", אמר. "לשם אני רוצה להגיע."