طريقة جديدة للنظر إلى الآلية الداخلية للمغناطيسات الصغيرة

يقوم باحثون من جامعة NTNU بإلقاء الضوء على المواد المغناطيسية على نطاقات صغيرة من خلال إنشاء أفلام بمساعدة بعض الأشعة السينية شديدة السطوع.

قام إريك فولفن، المدير المشارك لمجموعة إلكترونيات الأكاسيد في قسم الأنظمة الإلكترونية بجامعة NTNU، وزملاؤه من جامعة NTNU وجامعة غنت في بلجيكا، بدراسة كيفية تغير المغناطيسات الدقيقة ذات الأغشية الرقيقة عند تعرضها لمجال مغناطيسي خارجي. نُشرت هذه الدراسة، التي مُوّلت جزئيًا من قِبل NTNU Nano ومجلس البحوث النرويجي، في مجلة Physical Review Research.

مغناطيسات صغيرة

اخترع إينار ستاندال ديجيرنيس المغناطيسات المربعة الصغيرة المستخدمة في التجارب.

يبلغ عرض المغناطيسات المربعة الصغيرة، التي ابتكرها إينار ستاندال ديجيرنيس، طالب الدكتوراه في جامعة NTNU، ميكرومترين فقط، وهي مقسمة إلى أربعة مجالات مثلثة، لكل منها اتجاه مغناطيسي مختلف يشير في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة حول المغناطيسات.

في بعض المواد المغناطيسية، تتجمع مجموعات أصغر من الذرات معًا في مناطق تسمى المجالات، حيث يكون لجميع الإلكترونات نفس التوجه المغناطيسي.

في مغناطيسات جامعة NTNU، تلتقي هذه المجالات عند نقطة مركزية - النواة الدوامية - حيث يشير العزم المغناطيسي مباشرة إلى داخل أو خارج مستوى المادة.

يقول فولفين: "عندما نطبق مجالاً مغناطيسياً، فإن المزيد والمزيد من هذه المجالات ستشير إلى نفس الاتجاه. يمكنها أن تنمو ويمكن أن تتقلص، ثم يمكنها أن تندمج مع بعضها البعض."

الإلكترونات تتحرك بسرعة تقارب سرعة الضوء

ليس من السهل مشاهدة هذا يحدث. فقد نقل الباحثون مغناطيساتهم الدقيقة إلى مسرع الإلكترونات المتزامن BESSY II في برلين، وهو مسرع حلقي الشكل يبلغ قطره 80 متراً، حيث يتم تسريع الإلكترونات حتى تصل سرعتها إلى سرعة تقارب سرعة الضوء. ثم تُصدر هذه الإلكترونات سريعة الحركة أشعة سينية شديدة السطوع.

يقول فولفين: "نأخذ هذه الأشعة السينية ونستخدمها كضوء في مجهرنا".

لأن الإلكترونات تسافر حول السنكروترون في حزم تفصل بينها نانوثانيتان، فإن الأشعة السينية التي تنبعث منها تأتي في نبضات دقيقة.

يستخدم مجهر الأشعة السينية الماسح النافذ (STXM) هذه الأشعة السينية لإنشاء صورة فورية للبنية المغناطيسية للمادة. ومن خلال دمج هذه الصور، يستطيع الباحثون إنشاء فيلم يُظهر كيف يتغير المغناطيس الصغير بمرور الوقت.

بمساعدة جهاز STXM، قام فولفين وزملاؤه بإحداث اضطراب في المغناطيسات الدقيقة الخاصة بهم بنبضة تيار أدت إلى توليد مجال مغناطيسي، ورأوا المجالات تغير شكلها ونواة الدوامة تتحرك من المركز.

يقول: "لديك مغناطيس صغير جدًا، ثم تحركه وتحاول تصويره وهو يستقر مرة أخرى". بعد ذلك، رأوا النواة تعود إلى المنتصف، ولكن على مسار متعرج، وليس خطًا مستقيمًا.

يقول فولفين: "سوف يعود الأمر إلى المركز بطريقة ما".

زلة واحدة وتنتهي.

وذلك لأنهم يدرسون المواد المترسبة، والتي يتم إنشاؤها فوق ركيزة تسمح للباحثين بتعديل خصائص المادة، ولكنها ستحجب الأشعة السينية في جهاز STXM.

في مختبر NTNU NanoLab، قام الباحثون بحل مشكلة الركيزة عن طريق دفن المغناطيس الصغير الخاص بهم تحت طبقة من الكربون لحماية خصائصه المغناطيسية.

ثم قاموا بتقشير الطبقة السفلية بعناية ودقة باستخدام شعاع مركز من أيونات الغاليوم حتى لم يتبق سوى طبقة رقيقة جدًا. قد تستغرق هذه العملية المضنية ثماني ساعات لكل عينة، وأي خطأ بسيط قد يؤدي إلى كارثة.

ويقول: "الأمر الحاسم هو أنه إذا تم القضاء على المغناطيسية، فلن نعرف ذلك قبل أن نجلس في برلين. والحيلة، بالطبع، هي إحضار أكثر من عينة واحدة."

من الفيزياء الأساسية إلى الأجهزة المستقبلية

لحسن الحظ، نجحت التجربة، واستخدم الفريق عيناتهم المُجهزة بعناية لرسم خريطة لكيفية نمو وانكماش نطاقات المغناطيس الصغير بمرور الوقت. كما قاموا بإنشاء محاكاة حاسوبية لفهم القوى المؤثرة بشكل أفضل.

إلى جانب تعزيز معرفتنا بالفيزياء الأساسية، فإن فهم كيفية عمل المغناطيسية على هذه المقاييس الطولية والزمنية يمكن أن يكون مفيدًا في ابتكار الأجهزة المستقبلية.

تُستخدم المغناطيسية بالفعل لتخزين البيانات، لكن الباحثين يبحثون حاليًا عن طرق لاستغلالها بشكل أكبر. فعلى سبيل المثال، يمكن استخدام التوجهات المغناطيسية لنواة الدوامة ومجالات المغناطيس الدقيق لترميز المعلومات على شكل أصفار وواحدات.

يسعى الباحثون الآن إلى تكرار هذا العمل باستخدام مواد مضادة للمغناطيسية، حيث يلغي التأثير الكلي للعزوم المغناطيسية الفردية بعضها بعضًا. تُعدّ هذه المواد واعدة في مجال الحوسبة، فمن الناحية النظرية، يمكن استخدامها لصنع أجهزة تستهلك طاقة قليلة وتظل مستقرة حتى عند انقطاع التيار الكهربائي، إلا أن دراستها أكثر تعقيدًا نظرًا لضعف الإشارات التي تُنتجها.

رغم هذا التحدي، يتسم فولفن بالتفاؤل. يقول: "لقد قطعنا شوطاً كبيراً بإثبات قدرتنا على صنع عينات وفحصها بالأشعة السينية. والخطوة التالية هي معرفة ما إذا كان بإمكاننا صنع عينات بجودة عالية كافية للحصول على إشارة كافية من مادة مضادة للمغناطيسية الحديدية".