پیچ آرشمیدس الهامبخش روش نوینی برای رمزگذاری چیرالیتی در مواد مغناطیسی
توسط اینگرید فادلی، Phys.org
در فیزیک و علم مواد، اصطلاح «چیرالیتی اسپین» به عدم تقارن در توزیع اسپینها (یعنی گشتاور زاویهای ذاتی ذرات) در مواد مغناطیسی اشاره دارد. این عدم تقارن میتواند رفتارهای الکترونیکی و مغناطیسی منحصربهفردی ایجاد کند که برای توسعهٔ اسپینترونیک، دستگاههایی که از اسپین الکترونها و بار الکتریکی برای پردازش یا ذخیرهسازی اطلاعات بهره میبرند، مطلوب است.
ایجاد موادی که چیرالیتی اسپین مطلوب و اثرات فیزیکی مرتبط را در مقیاس بزرگ نشان دهند، تاکنون با چالشهای زیادی مواجه بوده است. در مقالهای اخیر که در Nature Nanotechnology منتشر شد، پژوهشگران در École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)، مؤسسهٔ ماکس پلانک برای فیزیک شیمیایی جامدات و سایر مؤسسات، رویکردی نوین برای رمزگذاری مستقیم چیرالیتی در مواد از طریق مهندسی هندسهٔ آنها در مقیاس نانو معرفی کردند.
«دِرک و من ابتدا از ظرافت پیچ آرشمیدس الهام گرفتیم و به این فکر کردیم که آیا میتوانیم یک معادل ماگنونی بسازیم، چیزی که بتواند «پمپاژ» ماگنونها (یعنی تحریکات جمعی اسپین الکترونها) را بهصورت جهتدار انجام دهد»، دکتر مینگران شو، نویسندهٔ اول مقاله، به Tech Xplore گفت.
«در مراحل اولیه، ما آهنمغناطیسهای چیرالی بلوری را در نظر گرفتیم، اما از این مسیر رضایت نداشتیم چون واکنشهای چیرالی آنها اغلب به دماهای پایین محدود میشوند و/یا نیاز به میدانهای مغناطیسی خارجی دارند. این موضوع ما را به دنبال یک بستر مصنوعی مهندسیشده و قابلطراحی سوق داد که در آن چیرالیتی میتواند مستقیماً در ساختار نانو‑مقیاس رمزگذاری شود.»
چیرالیتی هدایتشده توسط هندسه نانو‑مقیاس
کار اخیر دکتر شو و همکارانش مبتنی بر ساخت و شناسایی پیشین مواد توسط ماریا کارمن جوردانو و هویکسین گو، دو دانشجوی پیشین دکترا در EPFL، بود. جوردانو و گو فرایندهایی را توسعه دادند که تیم میتوانست بهصورت قابل اعتماد هندسهٔ مواد را در مقیاس نانو مهندسی کند تا به ویژگیهای مغناطیسی مورد نظر دست یابد.
«با استقامت بر آن پایه و بهرهگیری از مرکز برجستهٔ میکرو‑نانوتکنولوژی (CMi) در EPFL، قادر شدیم بینش اولیهٔ «پیچ آرشمیدس» را به یک مفهوم دستگاه عملی تبدیل کنیم و در نهایت به دیود ماگنونی چیرالی که در مقالهٔ Nature Nanotechnology ما گزارش شده است، منجر شویم»، دکتر شو اظهار کرد.
در واقع، پژوهشگران یک نانو‑لولهٔ کوچک بهشکل پیچمانند را با بهرهگیری از ابزارهای محاسباتی طراحی کردند. سپس قالبی مبتنی بر پلیمر از این لوله با استفاده از تکنیک چاپ سهبعدی نانو مبتنی بر لیزر به نام لیتوگرافی دو‑فوتونی ایجاد نمودند.
«ما قوانین اساسی فیزیک که پشت MChA (ناهمسانی مغناطیسی‑چیرالی) هستند، بازنگری کردیم و—همراه با دانش خود درباره ساختارهای اسپین غیرخطی—قوانین طراحی مربوط به ماگنونها در نانوساختارهای فرومغناطیسی را استخراج نمودیم»، گفت دِرک گروندلر، نویسندهٔ ارشد مقاله.
با بهرهگیری از روش پیشنهادی برای طراحی و ساخت نانو‑مقیاس، پژوهشگران ساختاری ایجاد کردند که ناهمسانی مغناطیسی‑چیرالی را نشان میداد. به عبارت دیگر، مقاومت الکتریکی آن بسته به جهت جریان الکتریکی تغییر میکند، بدون آنکه نیازی به میدان مغناطیسی خارجی باشد. این پدیده پاسخهای غیرقابلمعکوس ایجاد میکند؛ بهعنوان مثال، امکان جریان الکتریکی راحتتر در یک جهت را فراهم میآورد که برای توسعهٔ اسپینترونیک مفید است.
«ما روشی را ایجاد کردیم که امکان تولید در مقیاس بزرگ و ادغام سادهٔ الکتریکی در مدارهای الکترونیکی را فراهم میکند»، گفت دکتر شو. «با این روش، MChA به شکلی پیادهسازی شد که برای ادغام با چگالی بالا و مقیاس بزرگ در دستگاههای میکروالکترونیکی عملی مناسب باشد.»
قابلیت چاپ اسپینترونیکهای سهبعدی مخصوص برنامههای کاربردی
روشهای توسعهیافته توسط دکتر شو، پروفسور گروندلر و همکارانشان به زودی میتوانند برای ایجاد مواد مغناطیسی جدید با چیرالیتی مهندسیشده بهکار گرفته شوند؛ این مواد سپس میتوانند برای ساخت دستگاههای اسپینترونیک یا ماگنونی استفاده شوند. این دستگاهها میتوانند شامل سیستمهایی باشند که قادر به پردازش اطلاعات، جمعآوری دادهها و باز‑مسیردهی سیگنالها بهصورت کارآمدتر نسبت به فناوریهای موجود هستند.
«فیزیک حالت جامد بهطور سنتی به بلوریت و تقارنهای بلوری طبقهبندیشده بر حسب گروههای فضایی وابسته است». گفت دکتر شو. «این تقارنها عمدتاً ویژگیهای یک ماده را تعیین میکنند. در مقالهٔ ما نشان میدهیم که طراحی هندسی در مقیاس نانو مسیر دیگری را فراهم میکند: با مهندسی هندسهٔ یک فرومغناطیس معمولی مانند نیکل پلیکریستالی، میتوانیم کارکردهای ناشی از تقارنهای غیرساده را بدون محدود شدن به گروه فضایی بلور بهدست آوریم.»
در آینده، مهندسان در مؤسسات دیگر میتوانند این رویکرد پیشنهادی را بهکار بگیرند و از آن برای تولید سایر مواد مغناطیسی با چیرالیتی تقویتشده استفاده کنند. همزمان، پروفسور گروندلر، دکتر شو و همکارانشان قصد دارند استراتژی پیشنهادی خود را بهبود بخشند و از آن برای ساخت مؤلفههای دیگر دستگاههای اسپینترونیک بهرهبرداری کنند.
«از نظر عملی، کار ما راهی مقیاسپذیر برای ادغام دستگاههای سهبعدی اسپینترونیک با عملکردهای جدید از طریق چاپ سهبعدی و ساخت افزایشی تقارن موردنظر فراهم میکند، به جای جستجو برای بلورهای ویژه و مواد مغناطیسی»، گفت پروفسور گروندلر.
«در EPFL، ما هماکنون برنامهریزی میکنیم که شبکههای چاپشدهٔ سهبعدی از عناصر فرومغناطیسی خمیده بسازیم. به این ترتیب به دنبال حالتهای همگاریدار شبکهای میگردیم که بهصورت مغناطیسی قابلبرنامهریزی مجدد هستند و به متا‑موادی با عملکردهای جدید منجر میشوند؛ آماده برای ادغام با مدارهای مایکروویو.»
دکتر شو در حال استفاده از روشهایی مشابه با آنچه در این مطالعه بهکار رفته است، برای بهدست آوردن مواد بیشتری با هندسههای نانو‑مقیاسی خاص میباشد. این مواد میتوانند تقارنهایی داشته باشند که منجر به ویژگیها و پدیدههای مطلوب دیگری شوند.
«اکنون هدفم این است که فراتر از ویژگیهای غیرسادهای که بهصورت سنتی در جامدات بلوری یافت میشود، بروم»، او افزود. «هدفم این است که محدودیتهای تقارن بلوری را از طریق طراحی هندسههای نانو‑مقیاسی سفارشی که شرایط تقارن دشوار تحقق در بلورهای معمولی را فراهم میکند، پشت سر بگذارم.»
اطلاعات بیشتر: مینگران شو و همکاران، چیرالیتی اسپین ناشی از هندسه در یک آهنمغناطیس غیرچیرالی در میدان صفر، Nature Nanotechnology (2025). DOI: 10.1038/s41565-025-02055-3.
اطلاعات ژورنال: Nature Nanotechnology