קריסטל חדש גורם למגנטיות להתפתל בדרכים מפתיעות

הממצאים, שפורסמו ב- כתב העת של האגודה האמריקנית לכימיהמראים ששילוב של שני חומרים בעלי איפור כימי כמעט זהה אך מבני גביש שונים מאוד יכול לייצר מבנה חדש לחלוטין. גביש היברידי בלתי צפוי זה מציג תכונות מגנטיות שאינן מופיעות באף אחד מהחומרים המקוריים.

כיצד ספינים אטומיים יוצרים מגנטיות

מגנטיות מתחילה בקנה מידה אטומי. בחומרים מגנטיים, כל אטום מתנהג כמו מגנט מוט זעיר בגלל תכונה הנקראת ספין אטומי. ניתן לתאר את הספין כחץ קטן המראה את כיוון השדה המגנטי של האטום.

כאשר ספינים אטומיים רבים מסתדרים, או מצביעים באותה כיוון או בכיוונים מנוגדים, הם יוצרים את הכוחות המגנטיים המוכרים המשמשים בטכנולוגיות יומיומיות כמו מחשבים וסמארטפונים. סוג זה של יישור מסודר אופייני למגנטים קונבנציונליים.

צוות FSU הוכיח שהחומר החדש שלהם מתנהג בצורה שונה מאוד. במקום להסתדר בצורה מסודרת, הספינים האטומיים מתארגנים לדפוסי מערבולת מורכבים שחוזרים על עצמם. הסדרים אלה, הידועים כמרקמי ספין, משפיעים מאוד על האופן שבו חומר מגיב לשדות מגנטיים.

יצירת מערבולות מגנטיות באמצעות תסכול מבני

כדי לייצר את ההשפעות החריגות הללו, החוקרים שילבו בכוונה שתי תרכובות הדומות מבחינה כימית אך לא תואמות מבחינה מבנית. לכל תרכובת יש סימטריה גבישית שונה, כלומר האטומים מסודרים בדרכים לא תואמות.

כאשר מבנים אלה נפגשים, אף אחד מהסידורים אינו יכול לשלוט באופן מלא. חוסר היציבות הזה בגבול יוצר את מה שמדענים מכנים "תסכול" מבני, שבו המערכת לא יכולה להתיישב בדפוס פשוט ויציב.

"חשבנו שאולי התסכול המבני הזה יתורגם לתסכול מגנטי", אמר המחבר מייקל שאטרוק, פרופסור במחלקה לכימיה וביוכימיה של FSU. "אם המבנים בתחרות, אולי זה יגרום לסיבובים להתפתל. בוא נמצא כמה מבנים שקרובים מאוד מבחינה כימית אבל בעלי סימטריות שונות".

הצוות בדק רעיון זה על ידי שילוב של תרכובת העשויה מנגן, קובלט וגרמניום עם תרכובת אחרת העשויה מנגן, קובלט וארסן. גרמניום וארסן יושבים זה ליד זה בטבלה המחזורית, מה שהופך את התרכובות דומות מבחינה כימית אך מובחנים מבחינה מבנית.

לאחר שהתערובת התקררה והתגבשה, החוקרים בחנו את התוצאה ואישרו את נוכחותם של הדפוסים המגנטיים המתערבלים שאליהם כיוונו. סידורי ספין ציקלואידיים אלו ידועים כמרקמי ספין דמויי סקירמיון, המהווים מוקד מרכזי במחקר הנוכחי בפיזיקה ובכימיה.

כדי למפות את המבנה המגנטי בפירוט, הצוות השתמש במדידות עקיפה של נויטרונים חד-גבישיים שנאספו במכשיר TOPAZ במקור ניוטרון ספלציה. מתקן משתמש זה של משרד האנרגיה של משרד האנרגיה האמריקאי ממוקם במעבדה הלאומית של Oak Ridge.

למה הדפוסים המגנטיים האלה חשובים

לחומרים המארחים מרקמי ספין דמויי סקירמיון יש כמה יתרונות טכנולוגיים מבטיחים. שימוש פוטנציאלי אחד הוא בכוננים קשיחים מהדור הבא המאחסנים הרבה יותר מידע באותו מרחב פיזי.

ניתן להזיז Skyrmions גם תוך שימוש במעט מאוד אנרגיה, מה שעשוי להפחית משמעותית את דרישות ההספק במכשירים אלקטרוניים. במערכות מחשוב בקנה מידה גדול עם אלפי מעבדים, אפילו רווחי יעילות צנועים יכולים לתרגם לחיסכון משמעותי בחשמל ובקירור.

המחקר עשוי גם לסייע בפיתוח של מערכות מחשוב קוונטי סבילות לתקלות. מערכות אלו נועדו להגן על מידע קוונטי עדין ולהמשיך לפעול בצורה מהימנה למרות שגיאות ורעש – הגביע הקדוש של עיבוד מידע קוונטי.

"עם נתוני עקיפה של נויטרונים חד-גבישיים מ-TOPAZ וכלים חדשים להפחתת נתונים ולמידת מכונה מפרויקט ה-LDRD שלנו, נוכל כעת לפתור מבנים מגנטיים מורכבים מאוד בביטחון רב הרבה יותר", אמר Xiaoping Wang, מדען מובהק לפיזור נויטרונים במעבדה הלאומית Oak Ridge. "היכולת הזו מאפשרת לנו לעבור מחיפוש פשוט של מרקמי ספין יוצאי דופן לתכנון ואופטימיזציה שלהם עבור מידע עתידי וטכנולוגיות קוונטיות."

עיצוב חומרים במקום לחפש אותם

הרבה מהעבודה המוקדמת יותר על סקירמיונים כללה חיפוש בחומרים ידועים ובדיקתם בזה אחר זה כדי לראות אם הופיעו הדפוסים המגנטיים הרצויים.

מחקר זה נקט בגישה מכוונת יותר. במקום לחפש דוגמאות קיימות, החוקרים תכננו חומר חדש מהיסוד, תוך שימוש בתסכול מבני כעיקרון מנחה ליצירת התנהגות מגנטית ספציפית.

"זו חשיבה כימית, כי אנחנו חושבים על האופן שבו האיזון בין המבנים האלה משפיע עליהם ועל היחס ביניהם, ואז איך זה עשוי להתורגם ליחס בין ספינים אטומיים", אמר שטרוק.

על ידי הבנת הכללים הבסיסיים השולטים בדפוסים אלה, מדענים עשויים בסופו של דבר להיות מסוגלים לחזות היכן ייווצרו מרקמי ספין מורכבים לפני יצירת החומר.

"הרעיון הוא להיות מסוגל לחזות היכן יופיעו טקסטורות הספין המורכבות הללו", אמר מחבר שותף איאן קמפבל, סטודנט לתואר שני במעבדה של שאטרוק. "באופן מסורתי, פיזיקאים יחפשו חומרים ידועים שכבר מציגים את הסימטריה שהם מחפשים וימדדו את תכונותיהם. אבל זה מגביל את מגוון האפשרויות. אנחנו מנסים לפתח יכולת ניבוי לומר, 'אם נוסיף את שני הדברים האלה ביחד, ניצור חומר חדש לגמרי עם התכונות הרצויות האלה'".

אסטרטגיה זו יכולה גם להפוך את הטכנולוגיות העתידיות למעשיות יותר על ידי הרחבת מגוון המרכיבים השמישים. הגמישות הזו עשויה לאפשר לחוקרים לגדל גבישים ביתר קלות, להוזיל עלויות ולחזק את שרשראות האספקה ​​לחומרים מגנטיים מתקדמים.

ניסיון מחקר במעבדה הלאומית של Oak Ridge

קמפבל השלים חלק מהמחקר במעבדה הלאומית של Oak Ridge בעודו נתמך על ידי מלגת FSU.

"הניסיון הזה היה חשוב למחקר הזה", אמר. "שהיותי באוק רידג' אפשרה לי ליצור קשרים עם המדענים שם ולהשתמש במומחיות שלהם כדי לעזור עם כמה מהבעיות שהיינו צריכים לפתור כדי להשלים את המחקר הזה."

אוניברסיטת פלורידה סטייט הייתה חברה נותנת חסות באוניברסיטאות אוק רידג' אסוציאטיביות מאז 1951 והיא גם שותפה מרכזית באוניברסיטה של ​​המעבדה הלאומית. באמצעות שותפות זו, חברי סגל FSU, חוקרים בתר-דוקטורט וסטודנטים לתארים מתקדמים יכולים לגשת למתקני ORNL ולשתף פעולה עם מדעני מעבדה.

שיתוף פעולה ומימון

מחברים נוספים במחקר כוללים את YiXu Wang, Zachary P. Tener, Judith K. Clark, ו-Jacnel Graterol מהמחלקה לכימיה וביוכימיה של FSU; אנדריי רוגלב ופבריס וילהלם ממתקן קרינת סינכרוטרון אירופי; הו ג'אנג וי לונג מאוניברסיטת המדע והטכנולוגיה בייג'ינג; ריצ'רד דרונסקובסקי מאוניברסיטת RWTH Aachen; ושיאופינג וואנג מהמעבדה הלאומית Oak Ridge.

המחקר נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע ובוצע באמצעות מתקנים באוניברסיטת פלורידה סטייט ובמעבדה הלאומית Oak Ridge.