دانشمندان تا به حال فقط از وجود عایق‌هایی با خاصیت مغناطیسی تک‌بُعدی آگاه بودند. با این حال، گروهی از محققان به تازگی مغناطیس تک‌بعدی منحصر به فردی را در ترکیب فلزی Ti4MnBi2 مشاهده کرده‌اند.

به نقل از آی‌ای، میگان آرونسون(Meigan Aronson)، یکی از محققان و استاد مؤسسه ماده کوانتومی بلوسون(UBC Blusson QMI) می‌گوید: ما وجود یک کلاس تازه از مواد کوانتومی را ثابت کردیم که هم فلزی و هم آهنربای یک بُعدی، با جفت شدن قوی بین گشتاورهای مغناطیسی و میزبان فلزی آنها می باشند.

این یافته‌ها این چنین شواهدی از یک «فضای حالت» اراعه خواهند داد؛ مفهومی که در فیزیک برای توصیف همه حالت‌های ممکن یک سامانه منفعت گیری می‌شود. این همانند نقشه‌ای است که در آن هر نقطه، ترکیبی منحصر به فرد از متغیرهای سامانه همانند موقعیت و تکانه را مشخص می کند.

مغناطیس تک‌بعدی در یک فلز

ترکیب فلزی Ti4MnBi2 تنها دومین ماده فلزی شناخته شده با مغناطیس تک‌بعدی اثبات شده است. نام ترکیب فلزی دیگر، Yb2Pt2Pb است.

ترکیب فلزی Ti4MnBi2 این چنین اولین ماده‌ای است که مغناطیس آن به شدت با ماهیت فلزی آن مرتبط است و آن را واقعاً منحصر به فرد می‌کند.

نویسندگان این مطالعه زنجیره‌های اسپین را در Ti4MnBi2 مورد مطالعه قرار دادند. زنجیره اسپین همانند یک مجموعه آهنرباهای ریز است که طوری چیده شده‌اند که به راحتی می‌توانند بر یکدیگر تأثیر بگذارند.

محققان از پراکندگی نوترون، همراه با همانند‌سازی‌های رایانه‌ای پیشرفته منفعت گیری کردند و دریافتند که Ti4MnBi2 ماده کمیابی است که با نوع خاصی از مدل مطابقت دارد.

هنگامی سخن بگویید از مواد سه‌بعدی می‌شود، آنها ساختارهای مرتبی را در دماهای پایین راه اندازی خواهند داد. با این حال، سامانه‌هایی همانند Ti4MnBi2 تحت تسلط نوسانات کوانتومی می باشند، به این علت در یک ساختار ثابت قرار نمی‌گیرند.

در مدل اختصاصی، اسپین‌ها در Ti₄MnBi₂ در الگوهای ساده قرار نمی‌گیرند، چون تعامل های آنها نامنظم است و آنها به طوری رقابت می‌کنند که از هم‌ترازی آسان جلوگیری می‌کند.

این کار، حالت‌های مغناطیسی پیچیده‌ای تشکیل می‌کند که فقط در دمای صفر مطلق وجود دارند و مغناطیس تک‌بعدی در یک ترکیب فلزی را تایید می‌کنند.

آرونسون گفت: با اثبات وجود این حد وسط، Ti4MnBi2 قدم مهمی در جهت تشکیل یک چشم‌انداز کوانتومی گسترده برای اکتشاف اراعه می‌دهد و امکان پذیر مطابقت عالی بین آزمایش و تئوری محاسباتی که ما نشان داده‌ایم، به گفتن معیاری برای همانند‌سازی کوانتومی عمل کند.

پنجره‌ای به سوی احتمالات کوانتومی تازه

نتایج حاصل از این مطالعه می‌تواند نه تنها یک کاربرد، بلکه پیامدهای گسترده‌ای داشته باشد. برای مثال، داده‌های پراکندگی نوترونی می‌تواند به قیاس نتایج دنیای واقعی با مدل‌های نظری گوناگون درهم‌تنیدگی کوانتومی که یک مفهوم کلیدی در فناوری‌های کوانتومی است، پشتیبانی کند.

علاوه بر این، موادی همانند Ti₄MnBi₂ می‌توانند دستگاه‌هایی با حافظه سریع تر و کارآمدتر را محقق کنند، چون می‌توانند تبدیل پیشرفت در اسپینترونیک (فناوری منفعت گیری کننده از اسپین‌های الکترون برای پردازش داده‌ها) شوند.

آلبرتو نوسرا(Alberto Nocera)، یکی از نویسندگان این مطالعه می‌گوید: کار ما یک بستر آزمایشی ایده‌آل برای نمایش مزیت‌های کوانتومی در چارچوب همانند‌سازی آنالوگ کوانتومی است. این چنین بینش‌هایی را اراعه می‌دهد که می‌تواند برای گسترش حافظه‌های مغناطیسی منحصر به فرد با چگالی و شدت بالا سودمند باشد.

محققان اکنون ۱۰۰ دسته از بلورهای Ti4MnBi2 تشکیل کرده‌اند و ۴۰۰ دسته دیگر در خط تشکیل می باشند. آنها در آزمایشات بعدی مورد منفعت گیری قرار خواهند گرفت.

این مطالعه در مجله Nature Materials انتشار شده است.