شواهد قاطع برای کشف دسته سومی از مغناطیس به نام 'آلترمگنتیسم'
مغناطیس نقش مهمی در کاربردهای مختلف از جمله دستگاه‌های ذخیره‌سازی حافظه، تصویربرداری پیشرفته پزشکی، موتورهای الکتریکی با صرفه انرژی، حسگرهای مغناطیسی و فن‌آوری‌های نوظهور کوانتومی دارد.
برای مدت طولانی، تصور می‌شد که مغناطیس تنها دو نوع دارد؛ فرومغناطیس و آنتی‌فرومغناطیس.
هر دو شکل اهمیت خاص خود را دارند، مثلا بدون فرومغناطیس نمی‌توان بلندگو، تلفن، ژنراتور، هارد دیسک و غیره را تصور کرد. در حالی که آنتی‌فرومغناطیس برای حسگرها، آشکارسازها و کاربردهای محاسبات کوانتومی ضروری است.
اما نوع سومی نیز وجود دارد که به عنوان آلترمگنتیسم شناخته می‌شود. این نوع اولین بار در سال ۲۰۲۲ پیشنهاد شد، اما هیچ مدرک محکمی در آن زمان وجود نداشت. حالا یک مطالعه شبیه‌سازی نشان می‌دهد که آلترمگنتیسم واقعاً وجود دارد.
تشخیص آلترمگنتیسم در تلورید منگنز
لحظه مغناطیسی
نوع مغناطیسی که یک ماده نشان می‌دهد با گردش الکترون‌های آن تعیین می‌شود. اگر لحظه‌های مغناطیسی ناشی از گردش‌ها در یک جهت باشند، ماده فرومغناطیسی است. اما اگر لحظه‌های مغناطیسی در جهت مخالف باشند، نشان‌دهندهٔ آنتی‌فرومغناطیس است.
لحظه مغناطیسی به قدرت و جهت میدان مغناطیسی تولید شده توسط یک ماده اشاره دارد.
نویسندگان مطالعه پیشنهاد می‌کنند که در مورد آلترمگنتیسم، لحظه‌های مغناطیسی اتم‌های مجاور در جهت مخالف هم تنظیم شده‌اند، اما کاملاً ضدروازائی نیستند. بلکه به طور کمی مربوط یا به دلیل تقارن زمانی بر هم زده شده تنظیم پیچیده‌ای نشان می‌دهند (زمانی که برگشت یک فرایند، مشابه اصلی به نظر نمی‌رسد).
نویسندگان مطالعه آلترمگنتیسم را وقتی مشاهده کردند که از میکروسکوپ الکترونی نشر فوتونی (PEEM) برای مطالعه تلورید منگنز (MnTe) استفاده کردند. PEEM شامل استفاده از پرتوهای ایکس برای خارج کردن الکترون‌ها از سطح یک ماده و سپس تصویرسازی از آن الکترون‌ها برای نشان‌دادن خصوصیات مختلف ماده است.
محققین از پرتوهای ایکس با قطبش‌های مختلف برای برخورد به MnTe استفاده می‌کردند. مثلا وقتی نور با قطبش دایره‌ای به ماده برخورد می‌کرد، مناطق مغناطیسی منحصربه‌فرد MnTe، یا حوزه‌ها، که به دلیل شکست تقارن زمانی به وجود آمده بودند را نشان می‌داد.
ولی وقتی پرتوهای ایکس قطبیده افقی یا عمودی استفاده می‌شد، جهت‌گیری لحظه‌های مغناطیسی درون ماده آشکار می‌شد. جالب است وقتی که نویسندگان مطالعه نتایج این رویدادها را ترکیب کردند، حالت‌های آلترمغناطیس را مشاهده کردند.
“ما تصویربرداری نانومقیاسی از حالت‌های آلترمغناطیس از گرداب‌های مقیاس ۱۰۰ نانومتری و دیوارهای حوزه تا حالت‌های تک‌حوزه ۱۰ میکرومتر در تلورید منگنز (MnTe) را نشان می‌دهیم.” نویسندگان مطالعه گفتند .
قدرت آلترمگنتیسم
آلترمگنتیسم یک پدیده نادر و غیرمعمول است اما بهترین خصوصیات فرومغناطیس و آنتی‌فرومغناطیس را ترکیب می‌کند.
به عنوان مثال، آلترمغناطیس‌ها “سرعت و پایداری یک آنتی‌فرومغناطیس را دارند، اما همچنین دارای این خاصیت مهم فرومغناطیس به نام شکست تقارن زمانی هستند.” آلفردو دال دین، یکی از نویسندگان مطالعه و پژوهشگر پسادکترا در دانشگاه ناتینگهام، به علم زنده گفت.
ترکیب چنین ویژگی‌هایی می‌تواند به پیشرفت‌های هیجان‌انگیزی منجر شود. به عنوان مثال، نویسندگان مطالعه پیشنهاد می‌دهند که آلترمغناطیس‌ها پتانسیل افزایش سرعت قطعات میکروالکترونیک به میزان هزار برابر را دارند.
به علاوه، آلترمغناطیس‌ها می‌توانند به توسعه کاربردهای پیشرفته مغناطیسی منجر شوند و به دانشمندان در تحقق پدیده‌های قدرتمندی چون ابررسانایی کمک کنند.
“کار تجربی ما پلی بین مفاهیم نظری و تحقق دنیای واقعی فراهم کرده است که امیدواریم راهی برای توسعه مواد آلترمغناطیس برای کاربردهای عملی روشن کند.” الیور امین، اولین نویسنده مطالعه و پژوهشگر ارشد در دانشگاه ناتینگهام، گفت.
مطالعه در ژورنال Nature منتشر شده است.
