خبرگزاري آريا – دانشمندان در آزمايشگاه ملي آمز دپارتمان انرژي در حين انجام آزمايش‌هايي براي مشخص کردن مغناطيسم در ماده‌اي به نام عایق توپولوژيک مغناطيسي نادر، که در آن نقص‌هاي مغناطيسي معرفي مي‌شود، به کشف جالبي دست يافتند. علیرغم فرومغناطیس بودن این ماده، تیم برهمکنش‌های ضد فرومغناطیسی قوی بین برخی از جفت‌های نقص مغناطیسی که نقش کلیدی در چندین خانواده از عایق‌های توپولوژیک مغناطیسی دارند، یافتند.
عایق های توپولوژیکی (TIs) همانطور که از نامشان پیداست عایق هستند. با این حال، به دلیل ساختار نوار الکترونیکی منحصر به فرد خود، آنها الکتریسیته را در سطح تحت شرایط مناسب هدایت می کنند. با معرفی مغناطیس، TI ها می توانند جریان های الکتریکی را از نقطه ای به نقطه دیگر بدون تولید گرما یا اتلاف انرژی منتقل کنند. این کیفیت به این معنی است که آنها پتانسیل کاهش ردپای انرژی آینده را برای محاسبات و انتقال نیرو دارند.
به گفته راب مک‌کوئینی، دانشمند آزمایشگاه ایمز و عضو تیم تحقیقاتی، «پیدا کردن عایق‌های توپولوژیکی به این آسانی نیست. شما باید این موقعیت منحصربه‌فرد را پیدا کنید که در آن نوارهای الکترونی در هم پیچیده شده‌اند.» او همچنین توضیح داد که اعمال میدان مغناطیسی روی TI، سطح را به یک عایق دو بعدی منحصربفرد تبدیل می‌کند، در حالی که لبه‌های سطح خود فلزی می‌مانند.
یک هدف مهم بدست آوردن TI فرومغناطیسی است. فرومغناطیس زمانی است که تمام گشتاورهای مغناطیسی یک ماده به طور خود به خود در یک جهت قرار می گیرند. با این حال، تیم همچنین دریافت که TI ها در هنگام معرفی نقص، مستعد برهمکنش های ضد فرومغناطیسی هستند. آنتی فرومغناطیس زمانی است که برخی از یون ها به طور خود به خود با یون های همسایه همسو می شوند. نیروهای مغناطیسی مخالف مغناطیس کلی ماده را کاهش می دهند.
دو راه وجود دارد که دانشمندان مغناطیس را به TI معرفی می کنند. اولین مورد، معرفی مقادیر رقیق یون های مغناطیسی، مانند بیسموت تلورید دوپ شده با منگنز یا تلورید آنتیموان است. دوم ایجاد یک TI مغناطیسی ذاتی با قرار دادن لایه ای از یون های مغناطیسی در ماده مانند منگنز-بیسموت-تلوریم (MnBi)2آنها4) و منگنز – آنتیموان – تلوریوم (MnSb2آنها4). از آنجایی که TI های ذاتاً مغناطیسی دارای یک لایه کامل از یون های مغناطیسی هستند، در حالت ایده آل، مغناطیس به طور تصادفی مانند روش اول توزیع نمی شود.
برای این پروژه، تیم بر روی TI های مغناطیسی کمیاب تمرکز کردند که به طور تصادفی نقص های مغناطیسی را توزیع می کنند. “ما می خواستیم فعل و انفعالات مغناطیسی را در اساسی ترین سطح درک کنیم. فرهان اسلام، دانشجوی فارغ التحصیل دانشگاه ایالتی آیووا و عضو تیم، گفت: ما نمونه خود را با استفاده از مقادیر کمی از یون های مغناطیسی لمس کردیم تا بفهمیم که چگونه فعل و انفعالات مغناطیسی رخ می دهد. بنابراین ما اساساً در تلاشیم تا بفهمیم چگونه فعل و انفعالات میکروسکوپی بر مغناطیس کلی سیستم تأثیر می گذارد.
این تیم برای انجام تحقیقات خود از روش تخصصی به نام پراکندگی نوترونی استفاده کردند. این روش شامل عبور پرتوی نوترون (ذرات زیر اتمی با بار خنثی) از یک نمونه از مواد است. داده ها با توجه به مکان و زمان برخورد نوترون های پراکنده از نمونه به آشکارساز جمع آوری می شود. این نوع تحقیق فقط در چند نقطه از جهان قابل انجام است. پراکندگی نوترون برای این پروژه در منبع نوترون Spallation، یکی از تأسیسات کاربر دفتر انرژی علوم انرژی که توسط آزمایشگاه ملی Oak Ridge اداره می‌شود، انجام شد.
یکی از چالش های پراکندگی نوترونی سیگنال ضعیف آن است. این تیم نگرانی هایی در مورد مطالعه مغناطیس کمیاب به دلیل تعداد کمی از یون های مغناطیسی داشتند. مک کوئینی گفت: «من خیلی بدبین بودم که اصلاً چیزی را ببینیم. “اما ما این کار را کردیم. در واقع، آنچه ما دیدیم به راحتی قابل مشاهده بود، که تعجب آور بود.
این تیم دریافت که علیرغم فرومغناطیس کلی آنتیموان تلورید دوپ شده با منگنز (Sb1.94منگنز0.06آنها3برخی از جفت‌های جدا شده از عیوب مغناطیسی به صورت ضد فرومغناطیسی با جهات ممان مخالف جفت می‌شوند. جفت های مغناطیسی دیگر، به ویژه آنهایی که در بلوک های مختلف ساختار لایه ای قرار دارند، به صورت فرومغناطیسی با گشتاورهای موازی جفت می شوند. نیروهای مغناطیسی رقیب مغناطیس کلی ماده را کاهش می دهند.
اسلام توضیح داد: TIهای مغناطیسی ذاتی در واقع دارای نقص هستند. بنابراین، برای مثال، منگنز می‌تواند در جایی که نباید وارد سایت‌های آنتیموان شود، و نحوه ورود منگنز به آن مکان‌ها تصادفی است.
این اختلاط تصادفی محل های منگنز باعث ایجاد نقص مغناطیسی در TI های مغناطیسی ذاتی می شود. این تیم دریافت که همان فعل و انفعالات بین عیوب در مواد کمیاب در مواد ذاتی (مانند MnSb) نیز رخ می دهد.2آنها4). حالت پایه مغناطیسی TI های ذاتا مغناطیسی می تواند فرومغناطیسی یا ضد فرومغناطیسی باشد، و تیم اکنون متوجه شده است که چگونه نقص مغناطیسی این رفتار را کنترل می کند.
مک کوئینی گفت: “ما تعاملات بین نقص ها را در مورد نادر تعیین کردیم و متوجه شدیم که این فعل و انفعالات می تواند به پرونده داخلی منتقل شود.” بنابراین، نتیجه می گیریم که نقص نظم مغناطیسی را برای هر دو خانواده کنترل می کند.
این تحقیق بیشتر در مقاله مورد بحث قرار گرفته است، “نقش عیوب مغناطیسی در تنظیم حالت های پایه عایق های توپولوژیکی مغناطیسینوشته شده توسط فرهان اسلام، یونگ بین لی، دانیل ام. مواد پیشرفته.
آزمایشگاه ملی ایمز است وزارت انرژی آمریکا دفتر علوم یک آزمایشگاه ملی که توسط دانشگاه ایالتی آیووا اداره می شود. آزمایشگاه ایمز مواد، فناوری ها و راه حل های انرژی نوآورانه ایجاد می کند. ما از تخصص، توانایی های منحصر به فرد و همکاری بین رشته ای خود برای حل مشکلات جهانی استفاده می کنیم.
آزمایشگاه ایمز توسط دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده پشتیبانی می شود. دفتر علوم بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر لطفا مراجعه کنید به https://energy.gov/science.