کشف یک عنصر مغناطیسی جدید

مکانیزم اصلی استفاده از مواد دارای خاصیت فرومغناطیسی یا موادی که به آهن‌ربا‌ها می‌چسبند (مانند آهن)، به زمان‌ها‌یی بر‌می‌گردد که از نوعی سنگ آهن برای دریا‌نوردی استفاده می‌شد. از آن زمان تا به حال، سه عنصر در جدول تناوبی عناصر پیدا شده اند که در دما‌ی اتاق، فرومغناطیس هستند. این سه عنصر عبارتند از: آهن (Fe)، کبالت (CO) و نیکل (Ni). عناصر زمینی مانند گادولینیوم (Gd)، در نزدیکی دمای هشت درجه‌ی سلسیوس، خاصیت فرمغناطیسی خود را از دست می‌دهند.

مواد مغناطیسی در صنعت و تکنولوژی مدرن بسیار مهم و پر‌کاربرد هستند و از آن‌ها در مطالعات پایه وکاربرد‌ها‌ی روزانه مانند سنسور‌ها، موتور‌ها‌ی الکتریکی، ژنراتور‌ها، هارد‌ها‌ی اطلاعاتی و بیش‌تر حافظه‌ها‌ی امروزی استفاده می‌شود. از آنجایی که صنعت لایه‌ها‌ی نازک در طول چند دهه‌ی گذشته پیشرفت بسیاری داشته است، قابلیت کنترل شبکه‌ها‌ی کریستالی و حتی ساختار‌ها‌ی نیرویی که در طبیعت ناممکن هستند، نیز به‌وجود آمده است. پژوهش جدید نشان می‌دهد که عنصر Ru می‌تواند با استفاده از قابلیت لایه‌ها‌ی بسیار نازک برای تحریک فاز فرومغناطیس، چهارمین عنصر فرومغناطیسی جهان باشد.

جزئیات این پژوهش در آخرین نسخه‌ی Nature Communications منتشر شده است. نویسنده‌ی ارشد این مقاله،پاتریک کوارترمن، فارغ التحصیل دکترای دانشگاه مینسوتا است. کوارترمن، همکار پسا دکترای شورا‌ی ملی تحقیقات (NRC) در موسسه‌ی ملی تکنولوژی و استاندراد (NIST) است.

جیان پینگ ونگ، پروفسور مهندسی کامپیوتر و الکترونیک از دانشگاه مینسوتا، یکی از نوسیندگان مقاله ومشاور کوارترمن گفت:

مغناطیس همیشه فوق العاده بوده است. خودش دوباره این را ثابت می‌کند. ما بسیار از بابت اینکه می‌توانیم اولین گروهی باشیم که به‌صورت تجربی، چهارمین عنصر فرومغناطیس را به جدول تناوبی اضافه می‌کنیم، بسیار خرسند و شکر‌گزار هستیم. 

ونگ اضافه کرد:

این مسئله‌ی جالب و در عین حال بسیار سخت است. ما برای یافتن راه درست برای رشد دادن این ماده و قابل استفاده کردن آن حدود دو سال وقت صرف کردیم. این کار می‌تواند شروع و انگیزه‌ای برای بررسی جنبه‌ها‌ی بنیادی مغناطیسی عناصر شناخت شده باشد.

دیگر اعضای گروه نیز بر اهممیت این موضوع تاکید کردند.

همتایان صنعت معتقدند که همکاری کلید نو‌آوری است

ایان یانگ، همکار شرکت اینتل گفت:

اینتل (Intel) از همکاری طولانی مدت پژوهشی با دانشگاه مینسوتا بسیار راضی و خرسند است. ما علاقه‌مند هستیم که این پیشرفت را که با جست‌و جو در ویژگی‌ها‌ی کوانتومی مواد حاصل شده است با جهان به اشتراک بگذاریم. این کشف می‌تواند شروعی برای پیشرفت دستگاه‌ها‌ی حافظه باشد.

دیگر همتایان صنعت معتقدند که این کشف می‌تواند تاثیر زیادی بر صنعت نیم‌رسانا‌ها داشته باشد.

تد دونکین، سرپرست نمایندگی تحقیقات پیشرفته‌ی دفاعی (DARPA)، اسپانسر موسسه‌ی تحقیقات نیم‌رسانا (SRC) گفت:

اهممیت استفاده از تجهیزات اسپینترونیک در صنعت نیم‌رسانا‌ها، روز‌به‌روز در حال افزایش است. پیشرفت اساسی در فهم ما از مواد مغناطیسی مانند توضیحات داده شده توسط پروفسور ونگ و تیم او در این پژوهش، برای ادامه یافتن پیشرفت صنعت محاسبات و کامپیوتر بسیار ضروری است. 

تکنولوژی جدید به مواد و ابزار جدید نیاز دارد

ضبط‌کننده‌ها‌ی مغناطیسی همچنان تکنولوژی غالب در ذخیره‌سازی اطلاعات هستند اما حافظه‌ها‌ی تصادفی و محاسباتی کم کم جا‌ی آن‌ها را خواهند گرفت. این حافظه‌ها‌ی مغناطیسی، ابزار‌ها‌یی هستند که در قسمت محاسبه و ذخیره‌سازی اطلاعات محدوده‌ی گسترده‌تری را در مقایسه با هارد دیسک‌ها‌ی قدیمی برای مواد مغناطیسی ایجاد می‌کنند. این قابلیت‌ها‌ی جدید نشان می‌دهد که امکان تبدیل مواد غیر‌فرومغاطیس مانند Ru، پالادیوم (Pd) و ازمیوم (Os) به مواد فرومغناطیس، تحت شرایط خاصی وجود دارد. 

پژوهشگران دانشگاه مینسوتا بر مبنا‌ی پیش‌بینی‌ها‌ی تئوری و با استفاده از مهندسی باروری لایه‌ها فاز تتراگونال Ru را تحریک کردند تا به تشکیل فاز هگزاگونال متمایل شود. آن‌ها اب استفاده از این روش، نخستین عنصر فرومغناطیس در دما‌ی اتاق را به صورت مستقیم مشاهده کردند. دانشگاه مینسوتا با همکاری دانشگاه ویسکونسین، ساختار بلوری و خصوصیات مواد مغناطیسی را سازمان‌دهی کردند.

به‌گفته‌ی پژوهشگران، این پژوهش، راه جدیدی برای مطالعه‌ی این ماده‌ی فرومغناطیس جدید باز خواهد کرد. Ru از نظر کار‌بردی نیز بسیار جالب توجه است چرا که اکسید نمی‌شود و طبق پیش‌بینی‌ها‌ی تئوری، مقاومت گرمایی بالایی نیز دارد_ یک ویژگی اساسی برای طبقه‌بندی حافظه‌ها‌ی مغناطیسی. پژوهش در مورد مقاومت گرمایی این ماده در حال حاضر در دانشگاه مینسوتا در حال انجام است.