محققان به کمک آرایه‌ای از آهنرباهای میله‌ای یخ‌های اسپینی را مدل‌سازی می‌کنند. یخ اسپینی به موادی اطلاق می‌شود که یک حالت کمینه انرژی برایش وجود نداشته باشد.

یک گروه تحقیقاتی آرایه‌ای از آهنرباهای میله‌ای (که هر کدام جداگانه آویزان اند) را برای مطالعه و بررسی برهمکنش‌های مغناطیسی میان اسپین‌های اتمی در جامدات به کار می‌برند؛ آن‌ها نتایج کارشان را در مجله Physical Review Letter بیان می‌کنند. محققان واکنش‌های آهنرباهای میله‌ای را با استفاده از اعمال دو نوع اختلال میدان‌های مغناطیسی به طور جداگانه بر این آرایه آنالیز کردند و فهمیدند که این سیستم (با وجود اثرهای کلاسیکی مثل اصطکاک) همانند یک نوع مواد تحت عنوان یخ‌های اسپینی عمل می‌کند. این گروه تحقیقاتی می‌گوید که آرایهٔ آهنرباهای نام‌برده به طیف وسیعی از آزمایش‌های مربوط به یخ اسپینی منجر می‌شود به طوری که به محققان اجازه می‌دهد تا این مواد را در دستگاه‌های حافظه مغناطیسی آینده مورد استفاده قرار دهند.

یخ‌های اسپینی گروهی از مواد هستند که در آن گشتاورهای مغناطیسی (اسپین‌ها) موجود در اتم‌ها با یکدیگر برهم‌کنش می‌کنند و محققان امیدوار هستند به کمک این اسپین‌ها بتوانند اطلاعات دیجیتال را ذخیره کنند. در ساختار یخ اسپینی اتم‌ها یک چهاروجهی را تشکیل می‌دهند و شما می‌توانید اسپین‌ها را مثل پیکان‌هایی در نظر بگیرید که جهتشان به سمت داخل و یا به سمت خارج از مرکز این چهاروجهی می‌باشد. اسپین‌های کنار یکدیگر ترجیحاً جهتشان مخالف یکدیگر است اما در ساختمان یک چهاروجهی این مطلب برای هر اسپین به شکل انفرادی صدق نمی‌کند. هر چهاروجهی دو اسپین دارد که جهتش به سمت داخل و همچنین دو اسپینی دارد که جهتش به سمت خارج چهاروجهی است (به طوری که در کل اسپین‌ها یکدیگر را خنثی می‌کنند). راه‌های گوناگون آرایش این چهار اسپین موجود در یخ اسپینی در اصطلاح «قوانین حاکم بر یخ اسپینی» نامیده می‌شود. برای درک شکل چهاروجهی یخ اسپینی شکل زیر را ببینید.

اخیراً محققان برای مطالعه فرآیند خنثی شدگی مطرح شده (با جزئیات بیش‌تر) نسخه‌های با مقیاس بزرگتری از یخ‌های اسپینی را با استفاده از تمام حوزه‌های مغناطیسی (شامل همه اتم‌ها برای نمایش اسپین‌های منفرد) ساخته‌اند [1.2]. این حوزه‌ها که عرضی در حدود ۱۰۰ نانومتر دارند به شکل یک ساختار دو بعدی از اشکال شش‌گوش آرایش یافتند. در این یخ اسپینی ساختگی هر سه اسپین در یک رأس واقع می‌شوند به طوری که قواعد مربوط به یخ اسپینی به صورت ۲ اسپین ورودی-۱ اسپین خروجی یا ۱ اسپین ورودی-۲ اسپین خروجی  می‌باشد. محققان میدان‌های مغناطیسی موضعی و اثرات میدان‌های خارجی را بررسی کرده‌اند اما واکنش‌های نانو ثانیه‌ای از حوزه‌ها بقدری سریع است که با تکنیک‌های عکسبرداری موجود قابل رؤیت نمی‌باشد.

ماهادوان از دانشگاه Harvard و همکارانش قصد داشتند تا اسپین‌های منفردی که به خنثی‌شدگی منجر می‌شود را بررسی کنند، از این رو یک مدل ماکروسکوپیکی ساختند. آن‌ها یک شبکه (برحسب متر مربع) از آهنرباهای میله‌ای با طول ۲ سانتی متر (با توانایی چرخش به طور عمودی روی پایه‌های مجزای) به شکل یک آرایش در اصطلاح «شانه عسلی» ساختند. در حالی که یک گروه تحقیقاتی دیگر یک سیستم خنثی شده (منظور خنثی‌شدگی جمیع اسپین‌ها با یکدیگر است) از آهنرباهای میله‌ای را ساخته است اما آن‌ها این سامانه را در حین حرکت بررسی نکرده‌اند؛ موضوعی که گروه ماهادوان آنرا ضروری دانست[3] .

گروه ماهداوان در اولین آزمایش‌هایشان یک میدان مغناطیسی قوی را در جهت عمودی (بیرون صفحه آرایش) برای همسو کردن همه آهنرباهای مغناطیسی در جهت بالا اعمال کردند. وقتی که این گروه میدان مغناطیسی را خاموش کردند آهنرباها فوراً شروع به چرخش کردند، سپس هر یک از این آهنرباها شروع به نوسان کردند و در زمانی در حدود ۲ ثانیه آهنرباها در یک الگوی یخ اسپینی ثابت شدند. ماهداوان می‌گوید که این حالت تعادلی با آهنرباهای درون صفحه و پیرو آن قوانین حاکم بر الگوی یخ اسپینی قابل اطمینان نبود چرا که هیچ‌ کس یک یخ اسپینی ماکروسکوپیک نساخته بود.

این سه آهنربا روی پایه‌هایشان به طور عمود آزادانه می‌چرخند. در رأس این سه آهنربا خنثی‌شدگی داریم چرا که آرایش منفردی برای این که شرایطی ارضا شود تا اسپین هر آهنربا مخالف اسپین آهنربا کناری باشد وجود ندارد.

این گروه با اندازه‌گیری مقدار هم‌ترازی آهنرباهای مجاور، فیلم ویدیوئی این آزمایش را آنالیز کرد. این گروه فهمید که حرکت سریع اولیه آهنرباها به خاطر برهم‌کنش‌های قوی بین آهنرباها است. این در حالی است که افت نوسان‌ها، قبل از اینکه تعادل برقرار شود بدلیل اصطکاک پایه‌‌ها می‌باشد. در آزمایش دوم، این گروه آرایه‌ای از آهنرباها را در حالت ترازمندی اولیه در نظر گرفت. سپس یک آهنربای میله‌ای بزرگ را زیر این‌ آرایه قرار دادند. هرچه این آهنربا به آرایه نزدیک‌تر می‌شد آهنربا اثر بیش‌تری روی این آرایه داشت. گفتنی است که تمام نتایج با شبیه‌سازی‌های کامپیوتری گروه سازگار بود.

پائولو ملادو از اعضای این گروه می‌گوید: مدل یخ اسپینی در مقیاس بزرگ امکان انجام آزمایش‌هایی با قابلیت کنترل بالا را فراهم می‌کند به طوری که فرد می‌تواند «حالتی از سیستم مغناطیسی را به شکلی واقعی» مشاهده کند و به دنبال آن واکنش یک تک اسپین را بررسی کند. اولگ تیچرنیشیوف از دانشگاه Johns Hopkins در بالتی مور می‌گوید که مطالعات اخیر دیگر افراد روی آهنرباهای نانو-مقیاس هم‌چنین به مشکل ناشی از درک پدیده یخ اسپینی توجه کرد «اما این افراد این پدیده را به مرحله بعدی می‌برند».   

منبع:

Physics - Atomic Spins at Human Scale

مرجع: