برای نخستین بار پژوهش‌گرانی از آلمان موفق شدند گردابه‌های کوچکِ مغناطیسی که «اسکایرمیون‌» نامیده می‌شوند را تحت کنترل دربیاورند. نتایج این پژوهش می‌تواند برای آینده‌ی فناوری‌های ذخیره‌ی داده با چگالی بالا و قطعات الکترونیکی غیردیجیتال با سرعت‌ انتقال داده و توان پردازش بهبودیافته مهم تلقی شود.

اسکایرمیون‌ها گردابه‌های کوچک مغناطیسی‌اند که در بسیاری از مواد شامل لایه‌های نازک منگنز- سیلیسید (در آن‌هایی که بتازگی کشف شده‌اند) و کبالت- آهن-سیلیکون رخ می‌دهند. محققان در این کار که بتازگی انجام شده٬ دولایه‌ایِ پالادیوم- آهن را بر روی یک سطح بلوری ایریدیوم مورد مطالعه قرار داده‌اند. این گردابه‌های ریز را می‌توان به عنوان گره‌های دوبعدی دانست که در آن‌ ممان‌های مغناطیسی حدود ۳۶۰ درجه در یک صفحه می‌چرخند (شکل را ببینید).

گردابه‌های چرخشی – یک اسکایرمیون

اسکایرمیون‌ها می‌توانند اساس فناوری‌های هارددیسک آینده را تشکیل دهند. دیسک‌های امروزی از حوزه‌های مغناطیسی (که در آن تمامی اسپین‌های مغناطیسی جهت‌گیری یکسان دارند) برای ذخیره اطلاعات استفاده می‌کنند اما ساخت چنان حوزه‌هایی محدودیت‌های اساسی به لحاظ اندازه دارد. در عوض امکان ساخت اسکایرمیون‌هایی که کوچک‌تر باشند وجود دارد و می‌توان از آن‌ها به منظور ایجاد قطعات ذخیره‌ی اطلاعات با چگالی‌های بسیار بالا بهره برد. مهم‌تر آن‌که٬ برگرداندن تمامی اسپین‌ها در حوزه‌های سنتی – برای مثال جهت تغییر حالت حافظه‌ی وسیله‌ی مورد نظر از ۱ به ۰- نیازمند قدرت چشمگیر بوده و می‌تواند آهسته انجام یابد؛ اسکایرمیون‌ها به تلنگر‌های اسپینی کمتری برای چنان تغییری نیازمندند. بعلاوه حالت اسپینی نهایی به سادگی مختل نمی‌شود و این امر موجب می‌شود تا این ساختارهای اسکایرمیونی نسبت به حوزه‌های مغناطیسی سنتی بسیار پایدارتر باشند.

خلق و نابودی تک اسکایرمیون‌ها

با این وجود٬ قبل از آن‌که اسکایرمیون‌ها در دیسک‌های مورد استفاده قرار گیرند، دانش‌مندان نیازمند یافتن راهی برای کنترل آن‌ها بوده‌اند؛ چیزی‌که امروزه به سختی به اثبات رسیده است. اکنون تیمی از پژوهش‌گران در دانشگاه هامبورگ که توسط کریستن وُن برگمن (Kirsten von Bergmann)٬ آندره کوبتزکا (André Kubetzka) و رونالد ویزین‌دنجر (Roland Wiesendanger) رهبری شده است، نشان داده‌اند که امکان خلق و نابودی تک اسکایرمیون‌های مغناطیسی با استفاده از یک جریان اسپین- قطبیده (که اسپین آن غالباً در یک جهت قرار دارد) از نوک یک ذره‌بین تونل‌زنی روبشی (STM) البته در دماهای فوق العاده کم 4.2 کلوین وجود دارد. بر اساس این پژوهش اسکایرمیون‌ها از یک حالت به حالت دیگر به یُمن گشتاورِ انتقالیِ اسپین تعویض می‌شوند و یک حالت (حضور اسکایرمیون‌ها) از حالت دیگر (غیاب اسکایرمیون‌ها) برگزیده می‌شود.

همان‌طور که وُن برگمن توضیح می‌دهد: «برای آن‌که یک اسکایرمیون را ایجاد و یا حذف کنیم نوک STM خود را در نقطه‌ی ویژه‌ای بر روی نمونه قرار می‌دهیم و پالس جریان تونلی با اسپین قطبیده را در آن تزریق می‌کنیم.» او به physicsworld.com می‌گوید: «اگرچه در جریان‌ها و ولتاژهای پایین٬ مغناطشِ نمونه موردنظر پایایی دارد٬ در جریان‌ها و ولتاژهای بالاتر حالت مغناطیسی شروع به راه‌گزینی بین یک اسکایرمیون و یک جهت‌گیری موازیِ ساده‌ی ممانِ مغناطیسی می‌کند.» «در این شرایط جهت جریان است که تعیین می‌کند کدام حالت بر حالت دیگر برگزیده می‌شود- و این نشانه‌ای است آشکار از این‌که گشتاور انتقالی اسپین در این فرآیندِ راه‌گزینی دخیل است.

کاربردهایی در آی‌تی

این‌که قادر باشیم تا به این روش اسکایرمیون‌ها را ایجاد و یا حذف کنیم به آن معنی است که چنان بافت‌های اسپینی را می‌توان در فناوری‌ اطلاعات مورد بهره‌برداری قرار داد. به بیان وُن برگمن: «بویژه امکان استفاده از فیلم‌های نازک لایه‌ای به این طریق (همان‌طور که در مورد فناوری‌ قطعات آی‌تی سنتی نیز وجود دارد) می‌تواند گام بزرگ و رو به جلویی به سمت کاربردها به حساب آید.»

تیم هانبورگ اکنون مشغول درک جزئیات سازوکار این راه‌گزینی و دقیقاً در پی کشف چگونگی جفت‌شدگی جریان‌های اسپین-قطبیده با مغناطش هستند. به گفته‌ی وُن برگمن: «این به ما کمک خواهد کرد تا فرآیند ایجاد و حذف اسکایرمیون‌ها را بهبود بخشیم.» «همچنین در پی مواد لایه نازک دیگری هستیم که تلاشی است در جهت یافتن سیستم‌هایی که چنان راه‌گزینی‌های اسکایرمیونی را در دمای اتاق نشان می‌دهند.»

اسکایرمیون‌ها به افتخار فیزیک‌دان ذره‌ای اهل انگلستان٬ تونی اسکایرم (Tony Skyrme)٬ نام‌گذاری شده است. وی در سال ۱۹۶۲ پی برد که اسکایرمیون‌ها می‌توانند توضیحی بر این مطلب باشند که چگونه ذرات زیراتمی (همانند نوترون‌ها و پروتون‌ها) به عنوان موجودهای گسسته از یک میدان هسته‌ای پیوسته خارج می‌شوند.

نتایج این پژوهش در مجله ساینس انتشار یافته‌ است.

درباره نویسنده:

بِل دومی (Belle Dumé) کمک ویراستاری در nanotechweb.org است.

منبع:

Skyrmion spin control could help speed up electronics