أصغر مغناطيس في العالم بسمك ذرة واحدة

يمكن لمغناطيس بسمك ذرة واحدة في هيكل ثنائي الأبعاد طوره علماء في جامعة بيركلي أن يعزز تطوير تطبيقات جديدة في مجالات الحوسبة والإلكترونيات

[ترجمة د. موشيه نحماني]

إن تطوير مغناطيس فائق الرقة يعمل في درجة حرارة الغرفة يمكن أن يؤدي إلى تطوير تطبيقات جديدة في مجالات الحوسبة والإلكترونيات - مثل أجهزة الذاكرة السبينترونية المدمجة وعالية الكثافة - وأدوات جديدة لدراسة فيزياء الكم. المغناطيس الرقيق للغاية، والذي تم نشره مؤخرًا في المجلة العلمية المرموقة طبيعة الاتصالاتسيكون قادرًا على تطوير مجالات أجهزة الذاكرة من الجيل التالي والحوسبة والإلكترونيات الدورانية بشكل كبير (المصطلح في ويكيبيديا) وفيزياء الكم. تم تطوير المغناطيس من قبل علماء من مختبر لورانس بيركلي الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية وجامعة بيركلي.

وقال المؤلف الرئيسي للدراسة جي ياو، أستاذ علوم وهندسة المواد في جامعة بيركلي: "نحن أول من طور مغناطيسًا ثنائي الأبعاد يعمل في درجة حرارة الغرفة ويكون مستقرًا كيميائيًا في ظل ظروف معتدلة". وأضاف أحد الباحثين: "هذا الاكتشاف مثير بشكل خاص لأنه لا يوضح فقط أن المغناطيسية ثنائية الأبعاد ممكنة كيميائيًا في درجة حرارة الغرفة، ولكنه يكشف أيضًا عن آلية جديدة لإنشاء مواد مغناطيسية ثنائية الأبعاد".

عادة ما تكون المكونات المغناطيسية لأجهزة الذاكرة الموجودة مصنوعة من طبقات رقيقة من المواد المغناطيسية. لكن على المستوى الذري، لا تزال هذه المواد ثلاثية الأبعاد، أي يبلغ سمكها مئات أو آلاف الذرات. لعقود من الزمن، ظل الباحثون يحاولون إيجاد طرق لإنتاج مغناطيسات ثنائية الأبعاد أرق وأصغر حجمًا، والتي يمكن أن تسمح بتخزين المعلومات عند مستوى أعلى من الضغط. لقد أظهرت الإنجازات السابقة في مجال المواد المغناطيسية ثنائية الأبعاد نتائج واعدة بالفعل. ومع ذلك، تفقد هذه المغناطيسات ثنائية الأبعاد الأولى مغناطيسيتها وتصبح غير مستقرة كيميائيًا في درجة حرارة الغرفة. "تحتاج المغناطيسات ثنائية الأبعاد المتقدمة إلى درجات حرارة منخفضة للغاية حتى تعمل بشكل صحيح. ومع ذلك، ولأسباب عملية، يلزم وجود مركز معلومات للعمل في درجة حرارة الغرفة"، يوضح الباحث الرئيسي. "إن مغناطيسنا ثنائي الأبعاد ليس فقط أول مغناطيس يعمل عند درجة حرارة الغرفة أو أعلى منها، ولكنه أول مغناطيس على الإطلاق يصل إلى الحد الحقيقي ثنائي الأبعاد - إنه سمك ذرة واحدة!"، يتعجب من هذا الإنجاز. من الباحث الرئيسي. 

ويوضح الباحثون أن اكتشافهم يمكن أن يوفر أيضًا فرصًا جديدة في مجال فيزياء الكم. يضيف الباحث الرئيسي: "يفتح اكتشافنا نافذة لدراسة كل ذرة في هذا المجال الجديد لنا، وقد يكشف كيف تتحكم فيزياء الكم في كل مغناطيس ذري وتشرح العلاقات المتبادلة بينها بشكل أفضل".

قام الباحثون بتصنيع المغناطيس الجديد ثنائي الأبعاد - المعروف باسم مغناطيس أكسيد الزنك فان دير فالس المغطى بالكوبالت، من محلول أكسيد الجرافين والزنك والكوبالت. أدت بضع ساعات فقط من "طهي" الخليط في فرن مختبر عادي إلى إنشاء طبقة أحادية ذرية من أكسيد الزنك مدمجة مع ذرات الكوبالت المدمجة داخل طبقات من الجرافين. وفي الخطوة الأخيرة، تتم إزالة الجرافين عن طريق حرقه، مما يترك طبقة أحادية الذرة من أكسيد الزنك المطعمة بذرات الكوبالت.      

رسم توضيحي للمغناطيس المبتكر: أحمر - كوبالت؛ الأزرق - الأكسجين. الأصفر – الزنك [بإذن من مختبر بيركلي]

وقال الباحث الرئيسي: "بفضل المواد التي لدينا، لم تعد هناك أي قيود كبيرة على الصناعة في اعتماد طريقتنا القائمة على الحلول". "يمكن أيضًا تكييف طريقتنا بشكل مناسب للإنتاج الضخم بتكاليف أقل."

من أجل إثبات أن سمك المغناطيس الجديد هو بالفعل أحادي الذرة، أجرى الباحثون قياسات باستخدام طرق طيفية منفصلة (SEM، TEM) وأثبتوا أن هذا هو بالفعل مورفولوجيته. بالإضافة إلى ذلك، قام الباحثون أيضًا بقياس البنية المكانية للمادة باستخدام تجارب الأشعة السينية. ووجد الباحثون أن نظام الجرافين وأكسيد الزنك يصبح مغناطيسيًا قليلاً عند إضافة 6-5 بالمائة من ذرات الكوبالت. وزيادة تركيز ذرات الكوبالت إلى مستوى 12 بالمائة يؤدي إلى الحصول على مغناطيس قوي. ومما أثار دهشتهم أن كمية من الكوبالت بتركيز أعلى من 15% حولت المغناطيس ثنائي الأبعاد إلى حالة كمومية نادرة حيث تتنافس الحالات المغناطيسية المختلفة مع بعضها البعض. وعلى عكس المغناطيسات ثنائية الأبعاد السابقة، التي فقدت مغناطيسيتها عند درجة حرارة الغرفة أو أعلى منها، وجد الباحثون أن مادتهم المبتكرة لا تعمل بشكل صحيح في درجة حرارة الغرفة فحسب، بل حتى عند 100 درجة مئوية. يوضح الباحث الرئيسي: "يُظهر المغناطيس ثنائي الأبعاد لدينا آلية متميزة مقارنة بالمغناطيسات ثنائية الأبعاد السابقة". "ونحن نعتقد أن هذه الآلية الفريدة ناجمة عن الإلكترونات الحرة الموجودة في أكسيد الزنك. تعد الإلكترونات التي تتمتع بحرية الحركة من مكان إلى آخر مكونًا أساسيًا للتيار الكهربائي. "إنها تتحرك في نفس الاتجاه لتوصيل الكهرباء" ، يوضح الباحث الرئيسي. يمكن لهذه المادة المبتكرة، التي يمكن ثنيها في أي شكل تقريبًا دون أن تنكسر، وهي أرق بمليون مرة من ورقة من الورق، أن تساعد في تطوير التطبيقات في المكونات الإلكترونية بناءً على خاصية الدوران للإلكترونات (الإلكترونيات السبينية). تقنية مبتكرة تعتمد على اتجاهية الدوران الإلكتروني وليس على الشحنة الكهربائية الخاصة به من أجل تشفير البيانات وتخزينها. يقول الباحث الرئيسي: "إن مغناطيسنا ثنائي الأبعاد سيمكن من إنتاج أجهزة إلكترونية دقيقة للغاية مع الاستفادة من خاصية الدوران للإلكترونات".   

أخبار الدراسة

المقال كاملا