تغییر خواص مغناطیسی فلزات خاکی کمیاب با استفاده از لیزرهای ایکس‌ری برای اولین بار
فیزیکدانان مدت‌ها بر این باور بودند که تغییر خواص مغناطیسی عناصر خاکی کمیاب غیرممکن است. اما برای اولین بار، یک مطالعه جدید نشان می‌دهد که پالس‌های لیزر قدرت تحریک الکترون‌هایی را دارند که مغناطیس مواد خاکی کمیاب را کنترل می‌کنند.
این یافته‌ها می‌تواند به توسعه دستگاه‌های ذخیره‌سازی داده بهتر، سریع‌تر و انرژی‌کارآمد در آینده منجر شود.
نویسندگان این مطالعه این موفقیت را با استفاده از دو لیزر قوی ایکس‌ری، EuXFEL (لیزر الکترون آزاد ایکس‌ری اروپایی) و FLASH (لیزر الکترون آزاد در هامبورگ) به دست آورده‌اند. هر دو لیزر در هامبورگ آلمان قرار دارند و قادر به تولید پالس‌های بسیار کوتاه ایکس‌ری هستند.
"این منابع ایکس‌ری به ما این امکان را می‌دهند که فرایند‌های اولیه در مواد مغناطیسی را در مقیاس زمانی چند فمتوثانیه مشاهده کنیم. یک فمتوثانیه (10-15 ثانیه) یک میلیونم میلیاردم ثانیه است،" نویسندگان مطالعه گفتند.
لیزرهای ایکس‌ری باعث تغییر حالت اربیتال الکترون‌ها می‌شوند
خواص مغناطیسی عناصر خاکی کمیاب با فعالیت الکترون‌های 4f (الکترون‌هایی که در اربیتال 4f اتم قرار دارند) تعیین می‌شود. اما "تحریک‌های حالت‌های الکترونیکی 4f در فلزات خاکی کمیاب تاکنون به عنوان عاملی برای دینامیک مغناطیسی در نظر گرفته نشده‌اند،" پژوهشگران یادداشت کردند.
این به این دلیل است که تا کنون، دانشمندان هنوز راهی برای تأثیرگذاری بر فعالیت این الکترون‌ها پیدا نکرده بودند. نویسندگان مطالعه یک آزمایش جالب برای هدف قرار دادن الکترون‌های 4f انجام دادند.
آن‌ها نمونه‌هایی از تربیوم (Tb)، یک فلز خاکی کمیاب با هشت الکترون در اربیتال 4f خود، جمع‌آوری کردند. سپس نمونه‌ها را به پالس‌های لیزر ایکس‌ری از FLASH و EuXFEL معرض کردند و ساختار الکترونیکی فلز را با استفاده از اسپکتروسکوپی ایکس‌ری بررسی کردند.
پالس‌های لیزر باعث توزیع مجدد الکترون‌های 4f و تغییر خواص مغناطیسی تربیوم به صورت موقت شدند. نویسندگان مطالعه گفتند، "ما یک تغییر بسیار سریع در حالت‌های اربیتال 4f را گزارش کردیم که بر اساس پراکندگی الکترون-الکترونی غیرالاستیک بین الکترون‌های 5d و الکترون‌های 4f محلی انجام شد."
استفاده از فلزات خاکی کمیاب برای ذخیره‌سازی پیشرفته داده‌ها
توانایی کنترل خواص مغناطیسی فلزات خاکی کمیاب درهای جدیدی را برای استفاده از آن‌ها باز می‌کند. به عنوان مثال، اکنون می‌توان از این مواد برای استفاده در دستگاه‌های ذخیره‌سازی HAMR (ضبط مغناطیسی کمک‌گرمایش) در دستگاه‌های ذخیره‌سازی در نظر گرفت.
HAMR یک فناوری پیشرفته ذخیره‌سازی داده است که تراکم ذخیره‌سازی هارد دیسک‌ها را افزایش می‌دهد و به آن‌ها امکان می‌دهد اطلاعات را به روشی سریع‌تر و کارآمدتر ذخیره کنند. نسل کنونی دستگاه‌های HAMR از آلیاژ‌های فلزی حاوی پلاتین، آهن، کبالت و غیره استفاده می‌کند.
جایگزینی این آلیاژها با فلزات خاکی کمیاب می‌تواند تراکم ذخیره‌سازی، پایداری حرارتی و کارایی انرژی دستگاه‌های HAMR را بیشتر بهبود بخشد.
"با آهن‌ربا‌های بسیار قوی‌تر خاکی کمیاب، یک پالس لیزری فوق‌العاده کوتاه اکنون می‌تواند الکترون‌های 4f را تحریک کند و موجب تغییر حالت اربیتال شود—یک اثر الکترونیکی که حتی سریع‌تر و کارآمدتر از مکانیسم گرمایش در حافظه HAMR خواهد بود،" نویسندگان مطالعه یادداشت کردند.
با این حال، مطالعه کنونی راهی را برای تغییر موقت خواص مغناطیسی فلزات خاکی کمیاب نشان می‌دهد. اینکه آیا این روش می‌تواند تغییرات بلندمدتی نیز ایجاد کند یا خیر، هنوز مشخص نیست.
با امید به اینکه تحقیقات بیشتر پاسخ‌های بیشتری به این سوالات ارائه دهد و کاربردهای هیجان‌انگیزتری از فلزات خاکی کمیاب با الکترون‌های 4f تحریک‌شده را آشکار کند.
مطالعه در مجله Science Advances منتشر شده است.
