این تحقیق می تواند به دستگاه های فوق سریعی هدایت کند که می توانند به طور موثر و برگشت پذیر جریان های بدون تلفات را کنترل کنند
مغناطیس، یکی از قدیمی‌ترین فناوری‌های شناخته شده برای بشر، در خط مقدم مواد عصر جدید قرار دارد که می‌تواند نسل بعدی الکترونیک بدون تلفات و کامپیوترهای کوانتومی را فعال کند. محققان به رهبری پن استیت و دانشگاه کالیفرنیا (UC)، سن دیگو یک «شستی» جدید برای کنترل رفتار مغناطیسی یک ماده کوانتومی امیدوارکننده کشف کرده‌اند و این یافته‌ها می‌تواند راه را به سوی دستگاه‌های جدید، کارآمد و فوق سریع هموار کند.
هاری پادمانابهان، که به عنوان دانشجوی فارغ التحصیل در ایالت پن، رهبری این تحقیق را بر عهده داشت، گفت: «ساخت مکانیکی کوانتومی منحصربه‌فرد این ماده – بیسموت تلورید منگنز – به آن اجازه می‌دهد تا جریان‌های الکتریکی بدون تلفات را حمل کند، چیزی که مورد توجه فناوری است. چیزی که این ماده را به ویژه جذاب می کند این است که این رفتار عمیقاً با خواص مغناطیسی آن مرتبط است. بنابراین، یک دستگیره برای کنترل مغناطیس در این ماده نیز می تواند به طور موثر این جریان های بدون تلفات را کنترل کند.
به گفته دانشمندان، منگنز بیسموت تلورید، یک ماده دو بعدی ساخته شده از لایه های انباشته نازک اتمی، نمونه ای از یک عایق توپولوژیکی است، مواد عجیب و غریب که به طور همزمان می توانند عایق و رسانای الکتریسیته باشند. نکته مهم، از آنجایی که این ماده مغناطیسی نیز هست، جریان‌هایی که در اطراف لبه‌های آن هدایت می‌شوند می‌توانند بدون تلفات باشند، به این معنی که انرژی را به شکل گرما از دست نمی‌دهند. یافتن راهی برای تنظیم پیوندهای مغناطیسی ضعیف بین لایه‌های ماده می‌تواند قفل این عملکردها را باز کند.
دانشمندان در مجله Nature Communications گزارش دادند که ارتعاشات کوچک اتم ها یا فونون ها در مواد ممکن است یکی از راه های رسیدن به این هدف باشد.
پادمانابهان گفت: «فونون‌ها تکان‌های اتمی کوچکی هستند – اتم‌هایی که در الگوهای مختلف با هم می‌رقصند و در همه مواد وجود دارند. ما نشان می‌دهیم که این تکان‌های اتمی به طور بالقوه می‌توانند به عنوان یک دستگیره برای تنظیم پیوند مغناطیسی بین لایه‌های اتمی در بیسموت تلورید منگنز عمل کنند.
دانشمندان در ایالت پن، این ماده را با استفاده از تکنیکی به نام طیف‌سنجی مغناطیسی-اپتیکی مورد مطالعه قرار دادند – پرتاب لیزر بر روی نمونه‌ای از مواد و اندازه‌گیری رنگ و شدت نور بازتاب‌شده، که حامل اطلاعاتی در مورد ارتعاشات اتمی است. این تیم مشاهده کردند که چگونه ارتعاشات با تغییر دما و میدان مغناطیسی تغییر می کنند.
همانطور که آنها میدان مغناطیسی را تغییر دادند، دانشمندان تغییراتی را در شدت فونون ها مشاهده کردند. دانشمندان گفتند که این اثر به دلیل تأثیر فونون ها بر پیوند مغناطیسی ضعیف بین لایه ای است.
ماکسول پور، دانشجوی فارغ التحصیل دانشگاه کالیفرنیا، گفت: «با استفاده از دما و میدان مغناطیسی برای تغییر ساختار مغناطیسی مواد – مانند استفاده از آهنربای یخچال برای مغناطیس کردن قطب‌نمای سوزنی – متوجه شدیم که شدت فونون به شدت با ساختار مغناطیسی مرتبط است. سن دیگو و یکی از نویسندگان این مطالعه. با جفت شدن این یافته ها با محاسبات نظری، استنباط کردیم که این ارتعاشات اتمی پیوند مغناطیسی را در لایه های این ماده تغییر می دهد.
دانشمندان در UC San Diego آزمایش هایی را برای ردیابی این ارتعاشات اتمی در زمان واقعی انجام دادند. دانشمندان می گویند فونون ها سریعتر از یک تریلیون بار در ثانیه و چندین برابر سریعتر از تراشه های کامپیوتری مدرن نوسان می کنند. برای مثال یک پردازنده کامپیوتری 3.5 گیگاهرتزی با فرکانس 3.5 میلیارد بار در ثانیه کار می کند.
پیتر کیم، دانشجوی فارغ التحصیل دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو و یکی از نویسندگان مقاله، گفت: «آنچه در مورد این نتیجه زیبا بود این بود که ما مطالب را با استفاده از روش‌های آزمایشی مکمل مختلف در مؤسسات مختلف مطالعه کردیم و همه آنها به طرز قابل ملاحظه‌ای با یک تصویر همگرا شدند. .
به گفته دانشمندان، تحقیقات بیشتری برای استفاده مستقیم از دستگیره مغناطیسی مورد نیاز است. اما اگر بتوان به آن دست یافت، می‌تواند به دستگاه‌های فوق سریعی منجر شود که می‌توانند به طور موثر و برگشت‌پذیر جریان‌های بدون تلفات را کنترل کنند.
ونکاترامان گوپالان، استاد علوم و مهندسی مواد و فیزیک در ایالت پن، مشاور سابق پادمانابهان و یکی از نویسندگان مقاله، گفت: «یک چالش بزرگ در ساخت پردازنده‌های الکترونیکی سریعتر و قدرتمندتر، گرم شدن آنهاست. «گرمایش انرژی را هدر می دهد. اگر بتوانیم راه‌های کارآمدی برای کنترل موادی پیدا کنیم که میزبان جریان‌های بدون تلفات هستند، به طور بالقوه به ما امکان می‌دهد آنها را در دستگاه‌های الکترونیکی با انرژی کارآمد در آینده مستقر کنیم.
سایر محققین ایالت پن عبارتند از ولادیمیر استویکا، دانشیار پژوهش، Huaiyu “Hugo” Wang، دانشجوی فارغ التحصیل، و Maxwell Wetherington، دانشمند کارکنان، موسسه تحقیقات مواد و گروه علوم و مهندسی مواد. و Seng Huat Lee، استادیار پژوهشی، و Zhiqiang Mao، استاد، کنسرسیوم کریستال دوبعدی و گروه فیزیک.
همچنین جیمز رودینلی، پروفسور، دانیلو پوجیونی، استادیار پژوهشی، مینگ کیانگ گو، محقق فوق دکتری، و ناتان کوچر، دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشگاه نورث وسترن نیز مشارکت داشتند. Xijie Wang، Xiaozhe Shen، و Alexander Reid، دانشمندان کارکنان، آزمایشگاه ملی شتاب دهنده SLAC. ریچارد آوریت، استاد دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو؛ ریچارد شالر، دانشمند کارکنان، آزمایشگاه ملی آرگون؛ و آرون لیندنبرگ، دانشیار دانشگاه استنفورد.
وزارت انرژی ایالات متحده، بنیاد ملی علوم و دفتر تحقیقات ارتش بودجه این تحقیق را تامین کردند.
– این بیانیه مطبوعاتی در ابتدا در وب سایت Penn State منتشر شد