فیزیک‌دانان قوانین مغناطیس را برای تقویت کامپیوترهای کوانتومی و ابررساناها شکسته‌اند

پژوهشگران در حال کسب بینش‌های جدیدی درباره مغناطیس و تعاملات الکترونیکی در مواد پیشرفته هستند.

یافته‌های تیمی در دانشگاه رایس می‌تواند انقلاب‌هایی در زمینه‌های مانند کامپیوترهای کوانتومی و ابررساناهای دمای بالا به وجود آورد.

مطالعه آن‌ها در مورد فیلم‌های نازک آهن-قلع (FeSn) نحوه دید دانشمندان را به مغناطیس‌های کاگوم، که به نام الگوی مرتبط‌بافی سنتی نامگذاری شده، تغییر داده است. تیم کشف کرد که خواص مغناطیسی FeSn از الکترون‌های محلی‌شده ناشی می‌شود و نه الکترون‌های متحرک که قبلاً فرض می‌شد.

به گفته تیم، این یافته‌ها چالش‌هایی برای نظریه‌های موجود درباره فلزات کاگوم ایجاد می‌کند و بینش‌های جدیدی درباره مغناطیس ارائه می‌کند که می‌توانند به ایجاد موادی با ویژگی‌های سفارشی برای تکنولوژی‌های پیشرفته‌ای مانند کامپیوترهای کوانتومی و ابررساناها هدایت شود.

مینگ یی، استادیار فیزیک و اخترشناسی و دانش‌پژوه ارشد آکادمی رایس، در بیانیه‌ای گفت: "این کار انتظار می‌رود که مطالعات تجربی و نظری بیشتری را درباره ویژگی‌های نوظهور مواد کوانتومی تحریک کند و فهم ما را از این مواد مرموز و کاربردهای بالقوه دنیای واقعی آن‌ها تعمیق بخشد."

کاوش در مغناطیس کاگوم

مغناطیس‌های کاگوم، که به نام الگوی مرتبط‌بافی سنتی نامگذاری شده‌اند، موادی هستند که دارای ساختاری مشبک منحصر به فرد هستند. این طراحی به آن‌ها امکان می‌دهد تا رفتارهای مغناطیسی و الکترونیکی خاصی را نشان دهند که به دلیل تداخل ویرانگر کوانتومی عملکردهای موج الکترونیکی به وجود می‌آید.

مطالعه تعامل ساختار، تعاملات الکترون و مغناطیس با مواد مغناطیسی کاگوم امکان‌پذیر است. انواع زیادی از سیستم‌های مغناطیسی کاگوم گزارش شده است، مانند خانواده RMn6Sn6 (که R یک عنصر خاکی کمیاب است) و خانواده باینری FemXn (که X Sn یا Ge است).

مواد مغناطیسی کاگوم برای مطالعه چگونگی عملکرد مغناطیس، تعاملات و ساختار جالب توجه هستند. انواع زیادی از سیستم‌های مغناطیسی کاگوم کشف شده‌اند، مانند خانواده FemXn (که X می‌تواند Sn یا Ge باشد) و خانواده RMn6Sn6 (که R یک عنصر خاکی کمیاب است).

در این مواد، سطوح انرژی مشخصی به نام نوارهای صاف کاگوم نزدیک به سطح کلیدی انرژی شناخته‌شده به نام سطح فرمی هنگامی که مغناطیسی مرتب نشده‌اند قرار دارند. باور بر این است که پر کردن بخشی از این نوارهای صاف می‌تواند منجر به نوعی مغناطیس به نام فرومغناطیس نوع استونر شود.

با این حال، دانشمندان هنوز قادر به مشاهده شکافت مغناطیسی که در دماهای بالاتر در این مواد رخ می‌دهد، نبوده‌اند که سوالاتی درباره نحوه کارکرد مغناطیس در مغناطیس‌های کاگوم باقی گذاشته است.

پیشبرد فناوری‌های کوانتومی

در تحقیق جدید خود، تیمی از فیلم‌های نازک FeSn با کیفیت بالا تولید کردند و ساختار الکتریکی آن‌ها را با استفاده از روشی پیچیده‌ای که اپی‌تاکسی با پرتو مولکولی و طیف‌سنجی فوتوالکترون با تفکیک زاویه را ترکیب می‌کرد، بررسی کردند.

آن‌ها دریافتند که نوارهای صاف کاگوم حتی در دماهای بالا نیز تقسیم شده باقی می‌مانند، نشانه‌ای از اینکه مغناطیس ماده توسط الکترون‌های محلی‌شده به وجود می‌آید. فهم چگونگی تأثیر رفتار الکترون بر ویژگی‌های مغناطیسی در مغناطیس‌های کاگوم با اثر تعامل الکترون پیچیده می‌شود.

به گفته محققان، این کار همچنین درک جدیدی از نحوه تأثیر تعاملات الکترون‌ها بر رفتار مغناطیس‌های کاگوم از طریق آشکارسازی تعامل بیشتر برخی از اوربیتال‌های الکترون‌ها نسبت به دیگران ارائه کرد، فرآیندی که به عنوان بازنشانی انتخابی نوار شناخته می‌شود و در ابررساناهای مبتنی بر آهن مشاهده شده است.

زهن رن، پژوهش‌یار جوان آکادمی، در بیانیه‌ای گفت: "مطالعه ما نشان‌دهنده تعامل پیچیده بین مغناطیس و تعاملات الکترون در مغناطیس‌های کاگوم است و نشان می‌دهد که این اثرات در شکل‌دهی رفتار کلی آن‌ها بی‌تأثیر نیستند."

تیم همچنین ادعا می‌کند که این مطالعه پیامدهای گسترده‌تری برای مواد با ویژگی‌های مشابه دارد و فهم ما از FeSn را بیشتر می‌کند.

تکنولوژی‌های جدیدی مانند محاسبات کوانتومی توپولوژیکی، که در آن تعامل مغناطیس و نوارهای صاف توپولوژیکی حالت‌های کوانتومی ایجاد می‌کند که می‌توان از آن‌ها به عنوان گیت‌های منطقی کوانتومی استفاده کرد، و ابررساناهای دمای بالا می‌توانند از فهم نوارهای صاف و تعاملات الکترون بهره‌مند شوند.

جزئیات تحقیق تیم در مجله Nature Communications منتشر شده‌است.