یک شگفتی کوانتومی: مشاهده مغناطیس تک‌بُعدی نادر در ترکیبی فلزی
دانشمندان تا پیش از این تنها از وجود عایق‌هایی با ویژگی‌های مغناطیسی تک‌بُعدی مطلع بودند، اما اخیراً تیمی از محققان موفق به شناسایی یک مغناطیس تک‌بُعدی منحصر به فرد در ترکیب فلزی Ti₄MnBi₂ شده‌اند.
به گزارش آینده، میگان آرونسون (Meigan Aronson)، یکی از پژوهشگران و استاد مؤسسه ماده کوانتومی بلوسون (UBC Blusson QMI) اظهار کرد: ما وجود یک کلاس تازه از مواد کوانتومی را اثبات کرده‌ایم که هم فلزی هستند و هم به‌عنوان آهنربای یک‌بُعدی عمل می‌کنند، با جفتلگی قوی میان گشتاورهای مغناطیسی و بستر فلزی میزبان آن‌ها.
🔗 بیشتر بخوانید: اولین پرواز مسافربری خودروی پرنده در جهان/ ویدئو_آینده
این یافته‌ها شواهدی از یک «فضای حالت» فراهم می‌آورند؛ مفهومی در فیزیک که برای توصیف همۀ حالت‌های محتمل یک سامانه به کار می‌رود. این فضا مانندی یک نقشه است که در آن هر نقطه، ترکیبی منحصر به فرد از متغیرهای سامانه نظیر موقعیت و تکانه را مشخص می‌سازد.
مغناطیس تک‌بُعدی در بستر فلزی
ترکیب فلزی Ti₄MnBi₂ تنها دومین ماده فلزی شناخته‌شده با مغناطیس تک‌بُعدی اثبات‌شده است. ماده دیگر شناخته‌شده، Yb₂Pt₂Pb می‌باشد.
🔗 بیشتر بخوانید: عمیق‌ترین حفاری تاریخ؛ دانشمندان به مرز گوشته زمین دست یافتند
Ti₄MnBi₂ اولین ماده است که مغناطیسیت آن به‌شدت با ماهیت فلزی‌اش گره خورده و این ویژگی، آن را واقعاً منحصر به فرد می‌سازد.
نویسندگان این مطالعه، زنجیره‌های اسپین در Ti₄MnBi₂ را مورد بررسی قرار دادند. زنجیره اسپین նման مجموعه‌ای از آهنرباهای ریز است که به‌طوری چیده شده‌اند که به‌راحتی بر یکدیگر تأثیرگذار می‌شوند.
🔗 بیشتر بخوانید: کاهش علائم اختلال استرس پس از سانحه با رژیم غذایی مدیترانه ای
محققان با بهره‌گیری از پراکندگی نوترون در هم‌افزایی با شبیه‌سازی‌های پیشرفته رایانه‌ای، دریافتند که Ti₄MnBi₂ ماده کمیابی است که با نوع خاصی از مدل‌های تئوریک هم‌سو است.
در موادی که سه‌بُعدی هستند، در دماهای پایین ساختارهای مرتبی برقرار می‌شود. با این حال، سامانه‌هایی چون Ti₄MnBi₂ تحت هیمین نوسانات کوانتومی قرار دارند، از این رو در یک ساختار ثابت فرو نمی‌روند.
در مدل اختصاصی، اسپین‌ها در Ti₄MnBi₂ در الگوهای ساده جای نمی‌گیرند، چرا که تعامل‌هایشان نامنظم است و به‌گونه‌ای رقابت می‌کنند که از هم‌ترازی آسان ممانعت می‌کند.
این امر، حالت‌های مغناطیسی پیچیده‌ای را شکل می‌دهد که تنها در دمای صفر مطلق وجود دارند و مغناطیس تک‌بُعدی در یک ترکیب فلزی را تایید می‌کنند.
آرونسون افزود: با اثبات وجود این حد میانی، Ti₄MnBi₂ گامی مهم در جهت شکل‌گیری یک چشم‌انداز کوانتومی گسترده برای اکتشاف برمی‌دارد و تطبیق عالی میان آزمایش و تئوری محاسباتی که ما نشان داده‌ایم، می‌تواند معیاری برای شبیه‌سازی‌های کوانتومی عمل کند.
پنجره‌ای به سؤ احتمالات کوانتومی تازه
نتایج این پژوهش می‌تواند نه تنها یک کاربرد، بلکه پیامدهای گسترده‌ای داشته باشد. برای مثال، داده‌های پراکندگی نوترونی می‌تواند به مقایسه نتایج دنیای واقعی با مدل‌های نظری گوناگون در درهم‌تنیدگی کوانتومی —مفهیمی کلیدی در فناوری‌های کوانتومی— یاری رساند.
علاوه بر این، موادی مانند Ti₄MnBi₂ می‌توانند راه‌ساز دستگاه‌هایی با حافظه سریع‌تر و کارآمدتر شوند، به‌دلیل تواناییشان در پیشبرد اسپین‌ترونیک (فناوریِ بهره‌گیری از اسپین‌های الکترون برای پردازش داده).
آلبرتو نوسرا (Alberto Nocera)، از نویسندگان این مطالعه، می‌گوید: کار ما یک بستر آزمایشی ایده‌آل برای نمایش مزایای کوانتومی در چارچوب شبیه‌سازی آنالوگ کوانتومی است. این بینش‌ها می‌تواند برای گسترش حافظه‌های مغناطیسی منحصر به فرد با چگالی و شدت بالا سودمند باشد.
محققان تاکنون ۱۰۰ دسته از بلورهای Ti₄MnBi₂ را تکمیل کرده‌اند و ۴۰۰ دسته دیگر در حال تکمیل هستند. این نمونه‌ها در آزمایش‌های آتی مورد استفاده قرار خواهند گرفت.
این مطالعه در مجله Nature Materials منتشر شده است.