يقوم باحثون من جامعة العلوم والتكنولوجيا النرويجية بإلقاء الضوء على المواد المغناطيسية على نطاق صغير من خلال إنشاء أفلام بمساعدة بعض الأشعة السينية الساطعة للغاية.
قام إريك فولفن، المدير المشارك لمجموعة إلكترونيات الأكسيد في قسم الأنظمة الإلكترونية في جامعة العلوم والتكنولوجيا النرويجية، وزملاؤه من جامعة العلوم والتكنولوجيا النرويجية وجامعة غنت في بلجيكا، بدراسة كيفية تغير المغناطيسات الدقيقة ذات الأغشية الرقيقة عند تعرضها لمجال مغناطيسي خارجي. نُشر هذا العمل، الممول جزئيًا من قِبل مركز النانو في جامعة العلوم والتكنولوجيا النرويجية ومجلس البحوث النرويجي، في مجلة "Physical Review Research".
مغناطيسات صغيرة
اخترع إينار ستاندال ديجيرنيس المغناطيسات المربعة الصغيرة المستخدمة في التجارب.
تبلغ مساحة المغناطيسات المربعة الصغيرة، التي ابتكرها مرشح الدكتوراه في جامعة NTNU إينار ستاندال ديجيرنيس، ميكرومترين فقط، وتنقسم إلى أربعة مجالات مثلثة، كل منها باتجاه مغناطيسي مختلف يشير إلى 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 الاتجاه المغناطيسي.
في مغناطيسات NTNU، تلتقي هذه المجالات في نقطة مركزية - جوهر الدوامة - حيث تشير العزم المغناطيسي مباشرة إلى داخل أو خارج مستوى المادة.
يقول فولفن: "عندما نُطبّق مجالًا مغناطيسيًا، سيتجه المزيد والمزيد من هذه المجالات في نفس الاتجاه. يمكنها أن تنمو وتتقلص، ثم تندمج مع بعضها البعض".
الإلكترونات بسرعة الضوء تقريبًا
ليس من السهل رؤية هذا يحدث. أخذ الباحثون مغناطيساتهم الدقيقة إلى سنكروترون على شكل دونات بعرض 80 مترًا، يُعرف باسم BESSY II، في برلين، حيث تُسرّع الإلكترونات حتى تصل إلى سرعة الضوء تقريبًا. ثم تُصدر هذه الإلكترونات سريعة الحركة أشعة سينية شديدة السطوع.
"نأخذ هذه الأشعة السينية ونستخدمها كالضوء في المجهر الخاص بنا"، كما يقول فولفين.
وبما أن الإلكترونات تسافر حول السنكروترون في مجموعات منفصلة بفارق نانوثانيتين، فإن الأشعة السينية التي تصدرها تأتي في نبضات دقيقة.
يستخدم مجهر الأشعة السينية الماسحة الناقلة (STXM) هذه الأشعة السينية لإنشاء صورة للبنية المغناطيسية للمادة. وبربط هذه الصور معًا، يمكن للباحثين إنشاء فيلم يوضح كيفية تغير المغناطيس الدقيق بمرور الوقت.
وبمساعدة STXM، قام فولفين وزملاؤه بإزعاج المغناطيسات الدقيقة الخاصة بهم بنبضة تيار أدت إلى توليد مجال مغناطيسي، وشاهدوا المجالات تتغير في الشكل وقلب الدوامة يتحرك من المركز.
يقول: "لديك مغناطيس صغير جدًا، ثم تضغط عليه وتحاول تصويره وهو يستقر مجددًا". بعد ذلك، رأوا النواة تعود إلى المنتصف، ولكن على طول مسار متعرج، وليس في خط مستقيم.
"سوف يعود الأمر إلى المركز نوعًا ما"، كما يقول فولفين.
زلة واحدة وانتهى الأمر
ويرجع ذلك إلى أنهم يدرسون المواد الطلائية، التي يتم إنشاؤها فوق ركيزة تسمح للباحثين بتعديل خصائص المادة، ولكنها قد تمنع الأشعة السينية في STXM.
وفي مختبر NTNU NanoLab، تمكن الباحثون من حل مشكلة الركيزة عن طريق دفن المغناطيس الدقيق تحت طبقة من الكربون لحماية خصائصه المغناطيسية.
ثم قاموا بإزالة الطبقة السفلية بعناية ودقة باستخدام شعاع مُركّز من أيونات الغاليوم حتى لم يبقَ سوى طبقة رقيقة جدًا. قد تستغرق هذه العملية المُرهقة ثماني ساعات لكل عينة، وقد يُؤدي أي خطأ إلى كارثة.
يقول: "الأمر الحاسم هو أنه إذا قُطعت المغناطيسية، فلن نعرف ذلك قبل وصولنا إلى برلين. تكمن الحيلة، بالطبع، في إحضار أكثر من عينة واحدة".
من الفيزياء الأساسية إلى الأجهزة المستقبلية
لحسن الحظ، نجح الأمر، واستخدم الفريق عيناتهم المُعدّة بعناية لرسم خريطة لكيفية نموّ وتقلص نطاقات المغناطيس الدقيق مع مرور الوقت. كما قاموا بتصميم محاكاة حاسوبية لفهم القوى المؤثرة بشكل أفضل.
وبالإضافة إلى تعزيز معرفتنا بالفيزياء الأساسية، فإن فهم كيفية عمل المغناطيسية عند هذه المقاييس الزمنية والطولية يمكن أن يكون مفيدًا في إنشاء الأجهزة المستقبلية.
تُستخدم المغناطيسية بالفعل لتخزين البيانات، لكن الباحثين يبحثون حاليًا عن طرق لزيادة استخدامها. على سبيل المثال، ربما يُمكن 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 يتلاشى التأثير الصافي للعزوم المغناطيسية الفردية. تُعد هذه المواد واعدة في مجال الحوسبة - فمن الناحية النظرية، يمكن استخدام المواد المضادة للمغناطيسية لصنع أجهزة تتطلب طاقة قليلة وتحافظ على استقرارها حتى عند انقطاعها - إلا أن دراستها أصعب بكثير لأن الإشارات التي تُنتجها ستكون أضعف بكثير.
رغم هذا التحدي، يبقى فولفن متفائلاً. يقول: "لقد قطعنا شوطًا كبيرًا بإثبات قدرتنا على صنع عينات وفحصها بالأشعة السينية. والخطوة التالية هي معرفة ما إذا كان بإمكاننا صنع عينات بجودة عالية بما يكفي للحصول على إشارة كافية من مادة مضادة للمغناطيسية".
وقت النشر: ١٠ مايو ٢٠٢١