پژوهشگران برای اولین بار شواهد قطعی از یک نوع سوم و نادر از مغناطیس، به نام آلترمغناطیس، به دست آورده‌اند. یافته‌های آن‌ها که در ۱۱ دسامبر در مجله Nature منتشر شده است، می‌تواند طراحی دستگاه‌های حافظه مغناطیسی پرسرعت را متحول کند و قطعه‌ی گمشده‌ی پازل در توسعه‌ی مواد ابررسانای بهتر را فراهم آورد.
یک شکل جدید از مغناطیس
اولیور آمین، پژوهشگر فوق دکتری در دانشگاه ناتینگهام بریتانیا و نویسنده‌ی این مطالعه، در گفتگو با Live Science گفت:
“تا پیش از این، ما دو نوع شناخته‌شده از مغناطیس داشتیم. فرومغناطیس که در آن لحظات مغناطیسی (که می‌توان آن‌ها را مانند فلش‌های کوچک قطب‌نما در مقیاس اتمی تصور کرد) همگی در یک جهت قرار دارند، و آنتی‌فرومغناطیس که در آن لحظات مغناطیسی همسایه در جهت‌های مخالف یکدیگر قرار گرفته‌اند، مانند یک صفحه‌ی شطرنجی از کاشی‌های سفید و سیاه متناوب.”
اسپین الکترون‌ها در یک جریان الکتریکی باید در یکی از دو جهت قرار گیرد و می‌تواند هم‌جهت یا خلاف جهت این لحظات مغناطیسی تنظیم شود تا اطلاعات را ذخیره کند یا انتقال دهد، که این اساس دستگاه‌های حافظه مغناطیسی است.
مواد آلترمغناطیس که نخستین بار در سال ۱۴۰۱ مطرح شدند، ساختاری بینابینی دارند. در این مواد، هر لحظه‌ی مغناطیسی مانند مواد آنتی‌فرومغناطیس در جهت مخالف همسایه‌ی خود قرار دارد، اما با یک پیچش جزئی، که برخی ویژگی‌های فرومغناطیسی را به آن‌ها می‌بخشد. از این رو، آلترمغناطیس‌ها ویژگی‌های برتر هر دو نوع را در خود دارند.
آلفرد دال دین، دانشجوی دکتری در دانشگاه ناتینگهام و یکی از نویسندگان مطالعه، می‌گوید:
“فرومغناطیس‌ها این مزیت را دارند که می‌توانیم به‌راحتی داده‌ها را در آن‌ها بخوانیم و بنویسیم، اما از آنجا که آن‌ها خاصیت مغناطیسی خالص دارند، اطلاعات به‌راحتی با عبور یک آهنربا از بین می‌رود. در مقابل، آنتی‌فرومغناطیس‌ها بسیار پایدارتر هستند، اما دستکاری آن‌ها برای ذخیره‌ی اطلاعات چالش‌برانگیز است. آلترمغناطیس‌ها سرعت و پایداری آنتی‌فرومغناطیس را با خاصیتی مهم از فرومغناطیس، به نام شکست تقارن وارونگی زمان، ترکیب می‌کنند.“
شکست تقارن وارونگی زمان
این خاصیت به بررسی تقارن حرکت اشیا در زمان رو به جلو و عقب می‌پردازد. آمین توضیح می‌دهد:
“به عنوان مثال، ذرات گاز به‌طور تصادفی در فضا حرکت کرده و با هم برخورد می‌کنند. اگر زمان را به عقب برگردانید، این رفتار تفاوتی نخواهد داشت، یعنی تقارن حفظ شده است. اما از آنجا که الکترون‌ها دارای اسپین کوانتومی و لحظه‌ی مغناطیسی هستند، تغییر جهت زمان باعث معکوس شدن اسپین می‌شود، که منجر به شکست تقارن می‌شود. این شکست تقارن امکان ایجاد پدیده‌های الکتریکی خاصی را فراهم می‌کند.”
یافتن حلقه‌ی گمشده‌ی ابررسانایی
تیم تحقیقاتی به سرپرستی پیتر وادلی، استاد فیزیک در دانشگاه ناتینگهام، از تکنیکی به نام میکروسکوپ الکترونی انتشار فوتو (PEEM) برای تصویربرداری از ساختار و ویژگی‌های مغناطیسی تلورید منگنز استفاده کرد. این ماده پیش‌تر به‌عنوان یک آنتی‌فرومغناطیس شناخته می‌شد. آمین توضیح می‌دهد که با استفاده از نور ایکس با قطبش دایره‌ای، آن‌ها توانستند نواحی مغناطیسی حاصل از شکست تقارن وارونگی زمان را مشاهده کنند، در حالی که نور ایکس با قطبش خطی جهت لحظات مغناطیسی را اندازه‌گیری کرد. ترکیب این آزمایش‌ها، نخستین نقشه از ساختارهای مغناطیسی مختلف در یک ماده‌ی آلترمغناطیس را ارائه داد.
با این اثبات مفهومی، تیم پژوهشی دستگاه‌های آلترمغناطیسی مختلفی را با تغییر ساختارهای مغناطیسی داخلی از طریق یک فرآیند کنترل‌شده‌ی چرخه‌ی گرمایی تولید کرد. آمین می‌گوید:
“ما توانستیم بافت‌های گردابی پیچیده‌ای را در دستگاه‌های شش‌ضلعی و مثلثی ایجاد کنیم. این گرداب‌ها در زمینه‌ی اسپینترونیک به‌عنوان حامل‌های اطلاعاتی مورد توجه قرار گرفته‌اند و این پژوهش اولین نمونه‌ی عملی از نحوه‌ی ساخت چنین دستگاه‌هایی بود.”
نویسندگان این مطالعه می‌گویند که توانایی تصویرسازی و کنترل این شکل جدید از مغناطیس می‌تواند طراحی دستگاه‌های حافظه‌ی نسل آینده را با سرعت عملکرد بالاتر، مقاومت بیشتر، و سهولت استفاده متحول کند.
دال دین نتیجه می‌گیرد:
“آلترمغناطیس به توسعه‌ی ابررسانایی نیز کمک خواهد کرد. مدت‌ها بود که شکافی در تقارن‌های این دو حوزه وجود داشت، و اکنون این کلاس جدید از مواد مغناطیسی، که تاکنون ناشناخته باقی مانده بود، به‌عنوان حلقه‌ی گمشده‌ی این پازل ظاهر شده است.”
