فیزیک‌پیشگانی از کشور آلمان تک‌قطبی‌های مغناطیسی‌ مصنوعی را در ماده‌ای ویژه‌ مشاهده کرده‌اند. آنان معتقدند این نقص‌ها (که شبیه تک‌قطبی‌ها هستند)‌ وقتی از این ماده عبور می‌کنند که حلقه‌های مغناطیسی کوچک (اسکایر‌میون‌ها-skyrmion) به همدیگر بپیوندند. اسکایر‌میون‌ها از پتانسیل‌های کاربردی بسیاری در فناوری ذخیره‌ی داده‌ها برخوردارند. این درک جدید از رفتار آن‌ها را می‌توان اولین گام مهم در توسعه‌ی این فناوری‌ها دانست.

به گفته‌ی کریستین فلیدر (Christian Pfleiderer) از دانشگاه فنی مونیخ که از اعضای این تیم تحقیقاتی است: «در این مطالعه‌ی جدید سازوکار اساسی چگونگی از بین بردن (و نیز ایجاد) اسکایر‌میون‌ها را نشان داده‌ایم.» «امتیاز دیگر این مطالعه این است که نشان می‌دهد این سازوکار (از نظر توپولوژیکی) متناظر با تک‌قطبی‌های مغناطیسی است» در این مطالعه٬ محققانی از دانشگاه صنعتی درسدن (Technische Universität Dresden) و دانشگاه کلن (Cologne) بکار گرفته شده‌اند.

اسکایر‌میون‌ها گردابه‌های کوچک مغناطیسی‌اند که در مواد ساخته‌شده از کبالت٬ آهن و سیلیکون وجود دارند و برای اولین بار در سال ۲۰۰۹ بواسطه‌ی مطالعات پراکندگی نوترون کشف شدند. این گردابه‌ها به شکل ساختارهای خط‌مانند (موازی با جهت میدان مغناطیسی اعمالی) حرکت می‌کنند. مغناطش یک اسکایر‌میون حول این خط پیچیده شده و موجب تشکیل شبکه‌ای شش‌گوش توسط اسکایر‌میون‌ها می‌شود. اسکایر‌میون‌ها می‌توانند حرکت الکترون‌ها را شبیه میدان مغناطیسی (و نه دقیقاً مانند آن) تحت تاثیر قرار دهند و این موضوع باعث شده تا برخی از فیزیک‌پیشگان آنان را بعنوان میدان مغناطیسی مصنوعی در نظر بگیرند.

لکه‌های اسکایر‌میون‌ها بر روی سطح

پیچ در پیچ

گفته می‌شود هر اسکایر‌میون بایستی یک «عدد پیچشی توپولوژیک (topological winding number)» غیرصفر داشته باشد. این عدد تعداد دفعاتی را شمارش می‌کند که چنین ساختار مغناطیسی حول کره‌ای به شعاع واحد پیچانده می‌شود. این یعنی چنین گردابه‌هایی نمی‌توانند براحتی به یک حالت مغناطیسی عادی واتابیده شوند. به بیان فلیدر «مارپیچ توپولوژیکی را می‌توان به شکل یک توپ تنیس تصور کرد» «مهم نیست چگونه آن را جستجو می‌کنید همیشه حلقه‌ای آنجا خواهد بود که نمی‌توانید حذفش کنید.» اسکایر‌میون‌ها به افتخار فیزیک‌دان ذره‌ای اهل انگلستان بنام تونی اسکایرما (Tony Skyrme) نامگذاری شده است؛ کسی‌که ایده‌ی مدل‌سازی پروتون‌ها٬ نوترون‌ها و هسته‌های اتمی بزرگ را بعنوان ساختارهای توپولوژیکی در یک میدان پیونی چگالیده پیشنهاد داده بود.

این تیم٬ اندازه‌گیری‌های خود را روی یک ساختار مرکب از کبالت-آهن-سیلیکون انجام داده‌اند. آزمایش‌های قبلی پراکندگی نوترون که بر روی این ساختار انجام شده بود نشان از وجود اسکایر‌میون‌ها در آن داشت. یک هدف فلیدر و همکارانش این بوده که ببینند آیا الگوی سطحی اسکایر‌میون‌ها شبیه چیدمان زیرین آن سطح است یا نه. این محققان همچنین درپی درک این بودند که آیا سازوکار بنیادینی وجود دارد که با آن بتوان مارپیچ توپولوژیکی را در یک اسکایر‌میون از بین برد یا نه.

این تیم تحقیقاتی از یک میکروسکوپ نیروی مغناطیسی (MFM) برای نقشه‌برداری از توزیع و شکل اسکایر‌میون‌ها بر روی سطح نمونه‌ی موردنظر استفاده کردند؛ این سطح تا حدود ۱۰ کلوین سرد شده و در معرض یک میدان مغناطیسی در حدود ۲۰ میلی‌ تسلا قرار گرفته بود. یک MFM شبیه ذره‌بینیِ نیروی اتمی است و شامل قراردادن یک راس مغناطیده‌ی کوچک بسیار نزدیک به سطح نمونه است؛ جایی‌که میدان مغناطیسی موضعی را حس می‌کند. این روش محققان را قادر می‌سازد تا از موقعیت‌ اسکایر‌میون‌ها نقشه برداری کنند که حدود ۵۰ نانومتر قطر دارد و به فاصله‌ی ۱۰۰ نانومتر در یک شبکه‌ی شش‌گوش چیده شده‌اند.

بهم پیوستن اسکایر‌میون‌ها در طول خطوط

وقتی میدان مغناطیسی به صفر کاهش می‌یابد٬ اسکایر‌میون‌ها ناپدید می‌شوند. این گروه مطالعه‌ی دقیقی را فراهم آوردند تا چگونگی این رویداد را در دمای ثابت بررسی کنند. مشاهدات نشان می‌دهند که اسکایرمیون‌ها با پیوستن به همسایگانشان خطوطی را بر روی سطح تشکیل می‌دهند. در میدان مغناطیسی صفر این خطوط الگویی شبیه بَبر راه‌راه را ایجاد می‌کنند. هرچند محققان قادر به دیدن تک‌تک اسکایر‌میون‌ها در داخل نمونه نیستند، اما شبیه‌سازی‌های کامپیوتری نشان می‌دهند که یکی‌شدن‌های مشابهی نیز در زیر سطح رخ می‌دهد.

فلیدر به physicsworld.com می‌گوید: «این یکی‌شدن درست مثل زیپ لباس است»«در نقطه‌ی کوچکی٬ مغناطش (به شکل موضعی) به سمت صفر می‌رود. این نقص در طول اسکایر‌میون‌ها منتشر می‌شود و مانند یک زیپ آن‌ها را به هم می‌پیوندد» بر اساس گفته‌ی فلیدر این نقص به لحاظ توپولوژیکی متناظر با یک تک‌قطبی مغناطیسی است؛ ذره‌ای فرضی تنها با یک قطب مغناطیسی.

به بیان ناپوئوتو ناگائوسا (Naoto Nagaosa) از دانشگاه توکیو که در این مطالعه نقشی نداشته است:«خلق و نابودی اسکایر‌میون‌ها از نقطه‌نظر فیزیک بنیادین و کاربردهای فنی٬ موضوعی بسیار مهم به شمار می‌رود.» وی می‌افزاید که این کشف تاثیر بسزایی در گستره‌ی فیزیک خواهد داشت.

کوچک‌تر و کارآمدتر

اسکایر‌میون‌ها می‌توانند بعنوان پایه و اساس فناوری دیسک سخت در آینده به حساب آیند. دیسک‌های امروزی از حوزه‌های مغناطیسی برای ذخیره اطلاعات استفاده می‌کنند. محدودیت‌ اساسی در مورد این دیسک‌ها در میزان کوچک بودن چنین حوزه‌هایی است. با این وجود این تیم معتقد است که اسکایر‌میون‌ها از این پتانسیل برخوردارند که بسیار کوچک‌تر از حوزه‌های سنتی باشند. پس می‌توان از آن‌ها در ساخت قطعات ذخیره اطلاعات با چگالی بسیار بیشتر (و با مصرف انرژی بسیار کم‌تر) نسبت به قطعات موجود٬ بهره جست.

اکنون این تیم در حال انجام یک جستجوی نظام‌مند برای انواع موادی هستند که اسکایر‌میون‌ها را پشتیبانی می‌کنند. به پیشنهاد فلیدر این می تواند یک «ویژگی نسبتاً جهانشمول» باشد. این محققان نگاهی هم به پیشبرد روش‌های جدید برای دست‌کاری اسکایر‌میون‌ها دارند.

این کار در مجله ساینس انتشار یافته است.

درباره‌ی نویسنده:

ایان راندال (Ian Randall) نویسنده‌ای علمی در نیوزیلند است.

منبع: http://physicsworld.com/cws/article/news/2013/jun/10/monopoles-unwind-magnetic-whorls