گروهی بین‌المللی از پژوهشگران می‌گویند برای اولین بار در حین حرکت تک اتمی روی سطح مغناطیسی، مولفه وابسته به اسپین اصطکاک را اندازه‌گیری کرده‌اند. این گروه، از میکروسکوپ تونلی پویشی قطبیده اسپینی و دستکاری تک اتم برای حرکت روی یک الگوی مغناطیسی سود بردند. با مقایسه نتایج تجربی و شبیه‌سازی، پژوهشگران قادر بودند تا به طور قطع بگویند که در نیروی اصطکاکی احساس شده توسط تک اتم، اصطکاک وابسته به اسپین تا حد زیادی سهم دارد. آن‌ها می‌گویند که نتایج‌شان گامی اساسی برای توسعه نظریه بنیادی اصطکاک است.

اگرچه اصطکاک یکی از فراگیرترین نیروهای عالم و یکی از دیرین‌ترین پدیده‌های شناخته شده است، بغرنجی بنیادی اصطکاک باعث شده تا منشا آن برای دانشمندان ناشناخته باقی بماند. مطالعه اصطکاک (یا روانکاری [1]) به سطح‌های در حال تماس از مقیاس ماکرو تا نانو می‌پردازد. موضوع اساسی این است که یک نیروی اصطکاکی مشاهده شده را بین دو ماده در حال تماس جداسازی کنیم و آن را به ویژگی‌های فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی ماده ارتباط دهیم. اما گفتن این حرف راحت‌تر از انجام آن است.

در طی زمان، دانشمندان در سطح ماکرو دو عامل اساسی اصطکاک را تعیین نموده‌اند: درجات آزاد الکترونی و نوسانات شبکه. رولند وایزندنجر [2] از دانشگاه هامبورگ می‌گوید: «اگر مجموعه الکترونی در اتم چنین نقش مهمی در اصطکاک بازی کند، واضح است که باید اسپین را هم در نظر بگیریم زیرا یک الکترون هم بار دارد و هم اسپین.» او در کنار بوریس ولتر [3] و همکارانش بیش از 25 سال است که به پدیده‌های وابسته به اسپین در سطح اتمی علاقمند هستند اما آزمایش‌های بسیار کمی مربوط به اصطکاک اسپینی یافته‌اند. وایزنبرگر می‌گوید:«شاید بدین خاطر که یافتن سامانه‌ای برای تعیین اصطکاک اسپینی ساده نیست.» اگر فرومغناطیسی همانند آهن را در نظر بگیریم، همه گشتاورها یا اسپین‌های مغناطیسی کاملا موازی هستند بنابراین «ناممکن است که بین سهم‌ نیروی اصطکاکی معمول و وابسته به اسپین تمایز قائل شویم». او می‌افزاید: «شما باید مدلی بسازید که ویژگی‌های الکترونی با ویژگی‌های مغناطیسی متفاوت باشد.»

این دقیقا همان چیزی است که گروه انجام داد: آن‌ها از ماده پادفرومغناطیسی استفاده کردند که در آن اسپین‌های همسایه همیشه در جهات مختلف قرار می‌گیرند. در واقع، پژوهشگران زیرلایه‌ای از منگنز-تنگستن ساختند که در مقیاس کوچک پادفرومغناطیس است و در مقیاس بزرگ بین همسایه‌ها یک چرخش 170 درجه دارد(عکس زیر - بخش اول). سپس با استفاده از میکروسکوپ تونلی پویشی اسپین قطبیده (SP-STM) و با اتم کبالتی که روی لایه منگنز از مکانی به مکان دیگر حرکت می‌کرد، این سامانه را مطالعه کردند. اسپین‌ها در لایه منگنز فرومغناطیس در حال تغییرند و اسپین اتم کبالت با نزدیکترین همسایه منگنز خود یک الگوی متغیر می‌دهد. خطوط روشن و تاریک، مولفه‌های مغناطش موازی و پادموازی نسبت به مغناطش کبالت را نشان می‌دهند.

 طرز قرارگیری اسپین‌ها روی زیرلایه منگنز

کبالت قطبیده

اگر از یک فلز معمولی برای حرکت کبالت در سطح منگنز استفاده می‌شد، تصویر فقط تقارن شبکه اتمی را نشان می‌داد (شکل بالا-بخش سوم)، به همین خاطر از نوک SP-STM استفاده شد. اما وقتی گروه از سر اسپین-قطبیده استفاده کردند، جفت‌شدگی ضعیفی مغناطیسی با کبالت به وجود آمد و نظم مغناطیسی ساختار، مولفه وابسته به اسپین را نشان داد. ولتر می‌گوید: «نکته مطلوب دیگر درباره روش عکسبرداری مغناطیسی این است که تفکیک فضایی بسیار بالا و موج مغناطیسی بزرگی دارد اگرچه به همان میزان تلاش آزمایشگاهی و تحلیلی آن بیشتر است. کشف تجربی آن اندکی از روی خوش‌شانسی بود و در حیت کار بروی آزمایش‌های SP-STM حاصل شد. سپس این روش پالایش شد تا کیفیت عکس‌ها بهتر شود.»

برای تایید مشارکت درجه آزادی اسپینی در اصطکاک، این گروه از شبیه‌سازی مونت کارلو استفاده کرد. وایزندنجر توضیح می‌دهد: «انتخاب مدل درست به ما نشان داد که مولفه وابسته به اسپین قطعا در اصطکاک سهم دارد». اندازه اصطکاک اسپینی می‌تواند هم‌مرتبه با اصطکاک نوسانی الکترونی یا شبکه باشد. اگر اختلاف بین مرتبه بزرگی انرژی‌های جفت‌شدگی شیمیایی و مغناطیسی را در نظر بگیریم، این واقعیت شگفت‌انگیز است. آن‌ها انتظار دارند که اصطکاک اسپینی پدیده‌ای معمول باشد و در دسته بزرگی از سامانه‌ها رخ دهد.

اهمیت اين یافته‌ها در چیست؟

اين یافته‌ها به دلایل زیادی مهمند. اول، کمک می‌کنند تا اصول اصطکاک و اهمیت درجه آزادی اسپینی را در «پدیده‌های سطح» همانند پخش اتم‌های مغناطیسی روی زیرلایه مغناطیسی دریابیم. در سطح تجربی، این کار به سامانه‌های ذخیره داده مغانطیسی مانند دیسک‌های سخت یا موتورهای مغناطیسی با قطعات متحرک، مرتبط است. وایزنبرگر اشاره می‌کند که: «آنچه در کار ما بسیار مهم است، این است که ساخت مدل مناسب برای مطالعه سامانه و رسیدن به پاسخ، چقدر اهمیت دارد. ایده [اصطکاک اسپینی مغناطیسی] سال‌ها یک ایده نظری بود. اما برای تعریف دقیق آن مدل انتخابی اساسی بود. همین مضوع در دیگر بخش‌های فیزیک نیز حکمفرماست.»

منبع:

Spin friction seen for a single atom, Tushna Commissariat, Physicsworld.com

مرجع:

Spin Friction Observed on the Atomic Scale, Phys. Rev. Lett. 109, 116102 (2012).