إنجاز في المواد الكمومية: باحثون ألمان يكشفون عن حالة مغناطيسية 'فائقة التموير' تمهد الطريق لتخزين بيانات فائق الكثافة

ألمانيا - وكالة أنباء إخباري

إنجاز في المواد الكمومية: باحثون ألمان يكشفون عن حالة مغناطيسية 'فائقة التموير' تمهد الطريق لتخزين بيانات فائق الكثافة

في خطوة مهمة نحو الجيل القادم من تخزين البيانات والإلكترونيات الدورانية، كشف فريق من الباحثين بقيادة جامعة شتوتغارت عن اكتشاف رائد في عالم المواد ثنائية الأبعاد. تفصّل أبحاثهم، التي نُشرت في 2 فبراير في مجلة Nature Nanotechnology المرموقة، تحديد حالة مغناطيسية غير مسبوقة تُعرف باسم 'فائقة التموير' ضمن هياكل ثلاثي يوديد الكروم ثنائي الطبقة المزدوجة والملتوي. يحمل هذا التكوين المغناطيسي الجديد، الذي يتميز بأنسجة دورانية طويلة المدى تتجاوز النمط التمويري المتأصل في المادة، وعدًا هائلاً لتطوير أجهزة ذاكرة مغناطيسية فائقة الكثافة وذات كفاءة في استخدام الطاقة.

لقد دفع السعي للحصول على حلول تخزين بيانات أصغر وأسرع وأكثر كفاءة علم المواد منذ فترة طويلة. تواجه محركات الأقراص الصلبة التقليدية وحتى محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة الحديثة قيودًا مادية. لقد فتح ظهور مواد فان دير فالس الملتوية حدودًا جديدة. تتكون هذه المواد من طبقات رقيقة ذرية يمكن تكديسها وتدويرها بإزاحات زاويّة دقيقة. يولد هذا الالتواء الدقيق شبكات فائقة التموير – أنماطًا دورية أكبر بكثير من الشبكة الذرية – مما يغير بشكل كبير الخصائص الإلكترونية والمغناطيسية للمادة. شهد هذا المجال اهتمامًا بحثيًا متزايدًا في السنوات الأخيرة نظرًا لإمكاناته في فتح حالات جديدة تمامًا للمادة ووظائفها.

باستخدام تقنيات تصوير مغناطيسي متقدمة على مستوى النانو، وتحديداً قياس المغناطيسية باستخدام مركز الفراغ النيتروجيني الماسح، راقب الفريق الذي تقوده شتوتغارت بدقة هذه الأنسجة المغناطيسية المعقدة في درجات حرارة منخفضة جداً. على عكس الحالات المغناطيسية المقيدة بالتموير التي تم الإبلاغ عنها سابقًا، والتي تقتصر على تكوينات تكديس محددة، تظهر هذه الأنماط المكتشفة حديثًا تنظيمًا أعلى. إنها 'فائقة التموير' لأنها تعيد تنظيم المغناطيسية عبر نطاق طولي أكبر بكثير، مفصولة عن النمط التمويري الهندسي الأساسي. يعد هذا الفصل أمرًا حاسمًا، لأنه يشير إلى نظام مغناطيسي أكثر قوة وقابلية للتحكم.

وجد الباحثون أن هذه الأنسجة المغناطيسية المنظمة، الشبيهة بالنقاط، امتدت عبر خلايا تموير متعددة. والمثير للدهشة أن الحجم المميز لهذه الأنسجة يمكن تعديله عن طريق ضبط زاوية الالتواء بين طبقات ثلاثي يوديد الكروم. ضمن نطاق زاوي ضيق، تسبب زيادة زاوية الالتواء في نمو الأنسجة، لتصل إلى حوالي 300 نانومتر عند التواء بزاوية 1.1 درجة قبل أن تختفي في النهاية عند حوالي درجتين. وبلغ قياس الميزات الفردية داخل هذه الأنسجة الأكبر حوالي 60 نانومترًا، مما يوضح الدقة التي يمكن تحقيقها في معالجة هذه الحالات الكمومية.

تُعزى الآلية الكامنة وراء هذا السلوك المثير للاهتمام إلى التفاعل المعقد للقوى المتنافسة: تفاعلات التبادل، والتباين المغناطيسي، وتفاعل دزيالوشينسكي-موريا البيني (DMI). تفاعل DMI هو تفاعل تبادل غير متناظر ينشأ بسبب اقتران الدوران-المدار، ويصبح بارزًا ومؤثرًا بشكل خاص في واجهات الطبقات المزدوجة الملتوية. عندما يتم تقليل فترة التموير بشكل كافٍ، تفضل هذه الطاقات المتنافسة ترتيبًا مغناطيسيًا ينفصل بنشاط عن النمط التمويري الهندسي، مما يؤدي إلى تكوين هذه الأنسجة الواسعة ومتعددة الخلايا. يوفر هذا التوازن المعقد مفتاحًا قويًا لهندسة الترتيب المغناطيسي في الأنظمة ثنائية الأبعاد.

تكمن إحدى أكثر الآثار إثارة لهذا البحث في إمكانية تطبيقه على السكيرميونات المضادة للمغناطيسية. السكيرميونات هي أنسجة دورانية محمية طوبولوجيًا تتصرف كجسيمات شبه مغناطيسية، وتوفر الاستقرار والاكتناز المثالي لبتات البيانات. تعتبر السكيرميونات المضادة للمغناطيسية مرغوبة بشكل خاص لأنه من المتوقع أن تقمع تأثير هال السكيرميوني. تأثير هال السكيرميوني، وهو ظاهرة تنحرف فيها السكيرميونات جانبًا عند دفعها بواسطة تيار، يعقد التحكم الدقيق في الحركة في الأجهزة الإلكترونية الدورانية. من خلال قمع هذا التأثير، يمكن للسكيرميونات المضادة للمغناطيسية أن تتيح حركة أكثر استقامة وأكثر قابلية للتنبؤ، وبالتالي أكثر قابلية للتحكم، مما يبسط بشكل كبير تصميم مفاهيم الإلكترونيات الدورانية المستقبلية لمعالجة البيانات وتخزينها.

يوضح هذا العمل بشكل قاطع أن زاوية الالتواء بين الطبقات الرقيقة الذرية يمكن أن تكون معلمة ضبط فعالة بشكل لا يصدق لتثبيت هذه الحالات المغناطيسية المرغوبة. إنه يوفر مسارًا جديدًا لإعادة تشكيل النظام المغناطيسي والتحكم فيه في المواد دون تغيير تركيبها الكيميائي أو عدد الطبقات، مما يوفر مرونة لا مثيل لها في هندسة المواد. بينما يمثل هذا البحث خطوة أساسية، كونه في مراحله المبكرة، فإن الآثار المترتبة على تصنيع ذاكرة مغناطيسية فائقة الكثافة ومنخفضة الطاقة وأجهزة إلكترونيات دورانية متقدمة عميقة. إنه يؤكد الإمكانات المثيرة لـ twistronics – علم معالجة المواد عن طريق التواء طبقاتها – لإطلاق العنان لتقنيات ثورية.

وكالة أنباء إخباري