แม่เหล็กรูปแบบใหม่สามารถปลดล็อกคอมพิวเตอร์ได้เร็วขึ้นและมีประสิทธิภาพมากขึ้น

คอมพิวเตอร์ทั่วไปใช้การเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าเพื่อจัดการข้อมูล หากนักวิทยาศาสตร์สามารถควบคุมการหมุนของอิเล็กตรอนได้อย่างน่าเชื่อถือ พวกเขาก็จะสามารถพัฒนาแนวทางใหม่ในการประมวลผลที่ทำงานเร็วขึ้นและใช้พลังงานน้อยลง

ทีมวิจัยที่นำโดยศาสตราจารย์ฟิสิกส์ UCF Madhab Neupane ได้ระบุเนื้อหาที่สามารถช่วยทำให้สิ่งนี้เป็นไปได้ Neupane และผู้ร่วมงานของเขาพบหลักฐานการทดลองเกี่ยวกับกระแสแม่เหล็กสลับ ซึ่งเป็นรูปแบบใหม่ของสนามแม่เหล็กที่ได้รับการยอมรับ ซึ่งรวมคุณสมบัติที่มีประโยชน์ที่เกี่ยวข้องกับสถานะแม่เหล็กที่รู้จักกันดีสองสถานะ ได้แก่ ภาวะแม่เหล็กเฟอร์ริกและภาวะแม่เหล็กต้านเหล็ก

แม่เหล็กชนิดอื่น

Ferromagnetism เป็นพฤติกรรมทางแม่เหล็กประเภทหนึ่งที่คุ้นเคยกับแม่เหล็กธรรมดา ในวัสดุเฟอร์โรแมกเนติก โมเมนต์แม่เหล็กจะชี้ไปในทิศทางเดียวกัน ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กโดยรวม

พฤติกรรมนี้อาจมีคุณค่าในเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์ แต่ก็มีข้อเสียเปรียบ เฟอร์โรแมกเนติกสามารถสร้างสนามแม่เหล็กหลงทางที่รบกวนส่วนประกอบโดยรอบ ซึ่งเป็นข้อกังวลที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มีขนาดเล็กลงและหนาแน่นมากขึ้น

สารต้านเฟอร์โรแมกเนติกทำงานแตกต่างออกไป โมเมนต์แม่เหล็กของพวกมันชี้ไปในทิศทางตรงกันข้าม ทำให้หักล้างกันได้อย่างมีประสิทธิภาพ และลดสนามแม่เหล็กที่หลงทางลงอย่างมาก อย่างไรก็ตาม วัสดุเหล่านี้ขาดคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์บางประการที่ทำให้เฟอร์โรแม่เหล็กมีความน่าสนใจสำหรับการใช้งานทางเทคโนโลยี

อัลเทอร์แมกเนติกสามารถให้ข้อได้เปรียบในทั้งสองประเภท

เช่นเดียวกับแอนติเฟอร์โรแมกเนติก พวกมันสามารถทำงานได้โดยไม่สร้างสนามแม่เหล็กเล็ดลอดที่ไม่พึงประสงค์ ในขณะเดียวกันก็สามารถสร้างและตรวจจับกระแสการหมุนได้ เช่น การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่หมุนผ่านวัสดุ นักวิจัยกำลังตรวจสอบว่ากระแสปั่นหมาดเหล่านี้สามารถนำข้อมูลผ่านระบบอิเล็กทรอนิกส์ในอนาคตได้หรือไม่

Neupane และผู้ร่วมงานของเขาพบลายเซ็นทดลองของการเปลี่ยนแปลงแม่เหล็กใน Co_1/4ทาเซ₂วัสดุชั้นที่มีอะตอมโคบอลต์แม่เหล็ก วัสดุนี้สามารถใช้เป็นแพลตฟอร์มการทดลองที่ยืดหยุ่นเพื่อศึกษาสถานะแม่เหล็กที่ผิดปกตินี้ ขณะเดียวกันก็อาจช่วยพัฒนาเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และสปินทรอนิกส์ได้

“วัสดุเหล่านี้แตกต่างจากสารต้านเฟอร์โรแมกเนติกทั่วไปตรงที่ความสามารถในการสร้างและตรวจจับกระแสสปินโดยไม่มีผลกระทบด้านลบต่อการสร้างสนามแม่เหล็กที่หลงเหลืออยู่” Neupane กล่าว “คุณสมบัติใหม่นี้ทำให้พวกมันอยู่ในตำแหน่งที่ดีมากสำหรับการใช้งานในการใช้งานที่หลากหลาย รวมถึงสปินทรอนิกส์ อุปกรณ์หน่วยความจำที่เร็วเป็นพิเศษ เครือข่ายเทราเฮิร์ตซ์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ประหยัดพลังงาน”

การตรวจจับกระแสแม่เหล็กในพฤติกรรมทางอิเล็กทรอนิกส์

เพื่อพิจารณาว่า บจก_1/4ทาเซ₂ นักวิจัยได้ตรวจสอบว่าอิเล็กตรอนมีพฤติกรรมภายในวัสดุอย่างไร

พวกเขาใช้สเปกโทรสโกปีการปล่อยแสงแบบแก้ไขเชิงมุมหรือ ARPES ซึ่งเป็นเทคนิคที่ช่วยให้นักวิจัยสามารถวัดพลังงานและการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนและสร้างโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุขึ้นมาใหม่

“แนวทางของเราคือการใช้วิธีการที่มีความละเอียดสูงซึ่งไม่ไวต่อการหมุนของอิเล็กตรอนเพื่อวัดการแยกระดับพลังงาน” Neupane กล่าว “ดังนั้นเราจึงเสริมการวัดนี้ด้วย ARPES ที่ได้รับการแก้ไขด้วยการหมุนเพื่อสรุปว่าสิ่งนี้ดูเหมือนเป็นการเปลี่ยนแปลงทางแม่เหล็กหรือไม่”

การวัดตั้งแต่เนิ่นๆ เผยให้เห็นถึงความแตกแยกที่ชัดเจนในแถบอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุ จากนั้นนักวิจัยจึงหันไปหา ARPES ที่ได้รับการแก้ไขโดยการหมุนเพื่อการตรวจสอบที่มีรายละเอียดมากขึ้น

การวัดเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าสถานะอิเล็กทรอนิกส์ที่แยกออกจากกันมีโพลาไรเซชันของสปินที่ตรงกันข้าม ซึ่งเป็นสัญญาณที่สำคัญที่คาดหวังของการเปลี่ยนแปลงแม่เหล็ก

การสังเกตผลกระทบนี้ไม่ใช่เรื่องง่ายอย่างชัดเจน เทคนิคการปล่อยแสงมีความไวอย่างยิ่งต่อสภาพพื้นผิว ซึ่งหมายความว่าการปนเปื้อนแม้เพียงเล็กน้อยก็สามารถบดบังสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ที่นักวิทยาศาสตร์ต้องการวัดได้

ผู้ร่วมมือได้ผลิตตัวอย่างของบริษัท_1/4ทาเซ₂ในขณะที่กลุ่มของ Neupane ได้ตรวจสอบพื้นผิวที่สะอาดเป็นพิเศษอย่างละเอียดถี่ถ้วน ก่อนที่จะทำแผนที่คุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์

“ความสำคัญชัดเจนขึ้นเมื่อการวัดเชิงทดลองสอดคล้องกับการคาดการณ์ทางทฤษฎีของเราอย่างสม่ำเสมอ” Neupane กล่าว “การได้เห็นหลักฐานอิสระมาบรรจบกันทำให้เรามั่นใจว่าเราได้ระบุอัลเทอร์แมกเนติกชั้นแท้แล้ว”

วัสดุที่บางเฉียบและปรับได้สูง

หลักฐานของการสลับกันไม่ใช่เพียงคุณลักษณะเดียวที่ทำให้ Co_1/4ทาเซ₂ น่าสนใจสำหรับนักวิจัย

วัสดุประกอบด้วยแผ่นบางมากเรียงซ้อนกัน เนื่องจากแต่ละชั้นเชื่อมต่อกันอย่างหลวมๆ นักวิจัยจึงสามารถแยกและรวมเข้าด้วยกันเป็นโครงสร้างที่ละเอียดมากได้ ความยืดหยุ่นนี้ทำให้วัสดุที่เป็นชั้นมีความน่าสนใจสำหรับอุปกรณ์แบบฟิล์มบางและเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์ที่เกิดขึ้นใหม่อื่นๆ

วัสดุที่เป็นชั้นนี้เรียกว่าไดแชลโคเจนไนด์ของโลหะทรานซิชันหรือ TMD

ในบริษัท_1/4ทาเซ₂อะตอมโคบอลต์แม่เหล็กที่วางอยู่ระหว่างชั้นต่างๆ มีส่วนทำให้เกิดลักษณะแม่เหล็กที่ผิดปกติ โครงสร้างแบบชั้นยังช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถควบคุมวัสดุได้อย่างมาก ช่วยให้พวกเขาปรับเปลี่ยนมันได้ จากนั้นสังเกตว่าการเปลี่ยนแปลงเหล่านั้นส่งผลต่อคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์และแม่เหล็กของมันอย่างไร

นักวิจัยยังต้องการทราบว่าลายเซ็นอิเล็กทรอนิกส์ที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงทางแม่เหล็กมาจากไหน

ก่อนการทดลองเหล่านี้ นักวิทยาศาสตร์ไม่ทราบว่าคุณลักษณะอัลเทอร์แมกเนติกที่สำคัญในวัสดุชั้นต่างๆ มีต้นกำเนิดที่พื้นผิวหรือลึกลงไปภายในวัสดุหรือไม่

การวัดระบุว่าสถานะอิเล็กทรอนิกส์ที่เกี่ยวข้องมาจากภายในตัววัสดุเป็นหลัก และแสดงให้เห็นหลักฐานที่ชัดเจนของลำดับการเปลี่ยนแปลงของแม่เหล็ก

“หลักฐานของการเปลี่ยนแปลงแม่เหล็กในแพลตฟอร์มวัสดุอเนกประสงค์เปิดโอกาสใหม่ๆ มากมาย” Milo Sprague นักวิจัยหลักของการศึกษากล่าว “ขณะนี้มีการถกเถียงกันมากมายในทฤษฎีอัลเทอร์แมกเนติกว่าสถานะอิเล็กทรอนิกส์แบบโพลาไรซ์แบบหมุนมีปฏิสัมพันธ์กับปรากฏการณ์ทางแม่เหล็กอื่น ๆ อย่างไร ขณะนี้เรามีเนื้อหาที่เราสามารถปรับเปลี่ยนได้อย่างง่ายดายเพื่อสำรวจคำถามใหม่ ๆ เหล่านี้”

การใช้การหมุนของอิเล็กตรอนกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในอนาคต

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั่วไปเกือบทั้งหมดอาศัยประจุอิเล็กตรอนในการส่งและประมวลผลข้อมูล แต่อิเล็กตรอนก็มีการหมุนด้วย ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่แท้จริงอีกประการหนึ่งที่นักวิจัยหวังว่าจะสามารถนำมาใช้ในการคำนวณได้

สาขาที่ใช้สำหรับการหมุนของอิเล็กตรอนในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์โดยเฉพาะเรียกว่าสปินทรอนิกส์

อัลเทอร์แมกเนติกมีความน่าสนใจเป็นพิเศษสำหรับสปินทรอนิกส์ เนื่องจากสามารถสร้างและตรวจจับกระแสการหมุนได้ โดยไม่สร้างสนามแม่เหล็กหลงทางที่ยุ่งยากซึ่งเกี่ยวข้องกับเฟอร์โรแมกเนติกทั่วไป

“ในขณะที่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยังคงหดตัวต่อไป นักวิจัยจึงต้องการวัสดุใหม่ที่สามารถทำงานได้เร็วขึ้นและใช้พลังงานน้อยลง” Neupane กล่าว

วัสดุที่เป็นชั้นกำลังได้รับการศึกษาสำหรับการใช้งานตั้งแต่ทรานซิสเตอร์ขนาดเล็กมากไปจนถึงเทคโนโลยีออพติคอลและส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ขั้นสูงอื่นๆ นักวิจัยกำลังศึกษาวิธีใช้กระแสหมุนเพื่อส่งข้อมูลดิจิทัล

อัลเทอร์แมกเนติกแบบหลายชั้นสามารถเชื่อมต่อทั้งสองพื้นที่นี้ได้ โครงสร้างที่ปรับได้บางมากทำให้สามารถควบคุมการหมุนของอิเล็กตรอนได้ในขณะที่หลีกเลี่ยงการรบกวนทางแม่เหล็กที่เกิดจากแม่เหล็กธรรมดา

“ถ้าแนวทางนี้เป็นไปได้ อัลเทอร์แมกเนติกแบบหลายชั้นก็จะอยู่ในแถวหน้าของการพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์” Neupane กล่าว

คำถามสำคัญเกี่ยวกับ Altermagnetism ยังคงอยู่

การค้นพบนี้ยังช่วยให้นักวิจัยได้รับบางสิ่งที่สำคัญสำหรับวิทยาศาสตร์ขั้นพื้นฐาน นั่นคือ วัสดุที่สามารถดัดแปลงและศึกษาได้ในขณะที่นักวิทยาศาสตร์ตรวจสอบคำถามที่ยังไม่ได้รับการแก้ไขมากมายเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงทางแม่เหล็กใน Co_1/4ทาเซ₂.

นักวิจัยยังคงไม่เข้าใจอย่างถ่องแท้ว่าเหตุใดสถานะแม่เหล็กที่ผิดปกตินี้จึงก่อตัวขึ้น เหตุใดบางครั้งจึงอาจได้รับความนิยมมากกว่าการจัดเรียงแม่เหล็กที่แข่งขันกัน รวมถึงเฟอร์โรแมกเนติกและรูปแบบอื่น ๆ ของแอนตีเฟอโรแมกเนติก หรือวิธีที่แน่ชัดว่ามันมีพฤติกรรมอย่างไรภายใต้สภาวะที่ต่างกัน

งานทางทฤษฎีชี้ให้เห็นว่าปฏิสัมพันธ์ที่แข่งขันกันระหว่างอิเล็กตรอนสามารถมีอิทธิพลต่อประเภทของลำดับแม่เหล็กที่พัฒนาขึ้น ขณะนี้นักวิทยาศาสตร์กำลังพยายามหาคำตอบว่าทฤษฎีเหล่านี้อธิบายสิ่งที่เกิดขึ้นจริงในวัสดุจริงได้แม่นยำเพียงใด

“มีรายละเอียดมากมายในทฤษฎีการทำงานของอัลเทอร์แมกเนติกที่ยังไม่ได้รับการสำรวจหรือตรวจสอบ” นิวเพนกล่าว “ตอนนี้เราได้ระบุหลายแพลตฟอร์มเพื่อตอบคำถามเหล่านี้แล้ว การศึกษาขั้นสูงเพิ่มเติมเกี่ยวกับวัสดุเหล่านี้อยู่ระหว่างดำเนินการ”

ทำไมนักวิจัยถึงเปลี่ยนบริษัทได้_1/4ทาเซ₂ และติดตามว่าคุณสมบัติของมันตอบสนองอย่างไร วัสดุนี้จึงเป็นพื้นที่ทดสอบใหม่ที่มีคุณค่าสำหรับการสำรวจกระแสแม่เหล็กสลับ และพิจารณาว่ามันมีปฏิกิริยาอย่างไรกับผลกระทบทางแม่เหล็กและอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ

เนื้อหานี้อ้างอิงจากงานที่ได้รับการสนับสนุนจากกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกา สำนักงานวิทยาศาสตร์ ภายใต้หมายเลขรางวัล DE-SC0024304