فیزیکدانان MIT با استفاده از نور برای کنترل مغناطیس، چیپ‌های حافظه سریع‌تر و کوچک‌تر می‌سازند
دانشمندان MIT راه جدیدی برای کنترل حالت‌های مغناطیسی در مواد کشف کرده‌اند که می‌تواند به پیشرفت‌های فناوری چیپ‌های حافظه کمک کند. این تیم از لیزر تراهرتز — منبع نوری که بیش از یک تریلیون بار در ثانیه نوسان می‌کند — برای ایجاد یک فاز مغناطیسی پایدار در یک ماده آنتی‌فرومغناطیس استفاده کردند.
محققان با موفقیت اسپین‌های اتمی را با تنظیم لیزر به ارتعاشات اتمی ماده جابه‌جا کردند و به حالت مغناطیسی دست‌نیافتنی قبلی دست یافتند.
مواد آنتی‌فرومغناطیسی که به دلیل اسپین‌های اتمی متناوب شناخته می‌شوند که یکدیگر را خنثی می‌کنند، برخلاف فرومغناطیس‌های سنتی مقاومت در برابر تداخل مغناطیسی خارجی دارند. این ویژگی‌ها آن‌ها را به کاندیداهای ایده‌آل برای تکنولوژی‌های ذخیره‌سازی داده قوی تبدیل کرده است.
اما مقاومت آن‌ها در برابر دستکاری مغناطیسی برای مدت طولانی یک مانع بوده است. دستاورد MIT رویکرد قابل اعتمادی را برای غلبه بر این چالش نشان می‌دهد و گامی حیاتی برای ادغام آنتی‌فرومغناطیس‌ها در چیپ‌های حافظه کوچک و کم‌مصرف ارائه می‌کند.
حالت مغناطیسی جدید
تیم پژوهشی به رهبری نوه گیدیک، استاد فیزیک دانشگاه MIT، بررسی کردند که چگونه نور می‌تواند بر خواص مغناطیسی FePS3 تأثیر بگذارد؛ ماده‌ای که در دماهای زیر 118 کلوین (-247 درجه فارنهایت) آنتی‌فرومغناطیس می‌شود. برای دستکاری حالت آن، از لیزر تراهرتز که به فرکانس ارتعاشات اتمی ماده یا فونون‌ها تنظیم شده بود، استفاده کردند.
در مواد جامد، اتم‌ها به وسیله پیوندهایی شبیه به فنر که با فرکانس‌های مشخص ارتعاش می‌کنند، به هم متصل هستند. این ارتعاشات بر چگونگی تعامل اسپین‌های اتمی تاثیر می‌گذارند. با تحریک فونون‌ها با نور تراهرتز، تیم تعادل تراز اسپین مواد را برهم زد و آن را به حالتی با مغناطیس خالص سوق داد — تغییری اساسی از خاصیت ذاتی صفر مغناطیس.
گیدیک می‌گوید: «به طور کلی، ما مواد را با نور تحریک می‌کنیم تا بیشتر بدانیم که چه چیزی آن‌ها را به صورت بنیادی با هم نگه می‌دارد. به عنوان مثال، چرا این ماده آنتی‌فرومغناطیس است، و آیا راهی برای برهم‌زدن تعاملات میکروسکوپی وجود دارد که آن را به فرومغناطیس تبدیل کند؟»
برای آزمایش فرضیه‌شان، تیم نمونه‌ای از FePS3 را خنک کردند و آن را به یک پالس تراهرتز در معرض قرار دادند که با تبدیل نور نزدیک به مادون قرمز از طریق یک کریستال آلی تولید شده بود. سپس تغییر مغناطیسی را با تجزیه و تحلیل نمونه با لیزرهای مادون قرمز قطبی‌شده تایید کردند. تغییر قابل تشخیص در شدت‌های لیزر انتقالی تایید کرد که ماده به یک حالت مغناطیسی جدید منتقل شده است.
قابل توجه است که این حالت القا شده برای چند میلی‌ثانیه پایدار ماند — که مدت زمان بسیار طولانی‌تری در مقایسه با مقیاس‌های زمانی پیکوثانیه (تریلیونم ثانیه) معمولاً در انتقال فازهای القا شده با نور است. این زمان پنجره پژوهشگران را با زمان کافی برای بررسی خواص حالت جدید و شناسایی راه‌های بیشتر برای کنترل مواد آنتی‌فرومغناطیسی فراهم می‌کند.
پیامدها برای ذخیره‌سازی داده
مواد آنتی‌فرومغناطیسی از دیرباز به عنوان تغییر دهنده‌های بازی در ذخیره‌سازی اطلاعات در نظر گرفته شده‌اند. پیکربندی‌های اسپین متناوب آن‌ها می‌تواند داده‌های باینری را نشان دهد، به طوری که یک ترتیب «0» و دیگری «1» را رمزگذاری کند. این داده‌ها در برابر تاثیرات مغناطیسی خارجی پایدار باقی می‌مانند و جایگزینی قوی‌تر برای تکنولوژی‌های ذخیره‌سازی مغناطیسی موجود ارائه می‌دهند.
گیدیک می‌گوید: «مواد آنتی‌فرومغناطیسی قوی هستند و تحت تاثیر میدان‌های مغناطیسی ناخواسته قرار نمی‌گیرند.»
توانایی تیم در تغییر قابل اعتماد یک آنتی‌فرومغناطیس به حالت جدید با استفاده از نور، درها را برای کاربردهای عملی باز می‌کند. این مواد می‌توانند پایه‌ای برای چیپ‌های حافظه نسل بعدی شوند که قادر به ذخیره‌سازی و پردازش داده‌های بیشتر با مصرف انرژی کمتر و اشغال فضای حداقلی هستند.
با ادامه اصلاح روش‌هایشان توسط گروه گیدیک، آن‌ها امیدوارند که انتقال فاز القا شده با نور را بهینه‌تر کنند و راه‌های جدیدی برای تغییر خواص آنتی‌فرومغناطیسی اکتشاف کنند. این می‌تواند در نهایت به توسعه سیستم‌های ذخیره‌سازی حافظه پایدارتر و کارآمدتر منجر شود و چشم‌انداز پردازش داده‌ها و فناوری را تغییر دهد.
این مطالعه در Nature منتشر شده است.
