مترجم: سیدمحمدرضا کلانتری
چه چیز یک آهنربا را آهنربا میسازد و چطور میتوانیم رفتار آهنربا را کنترل کنیم؟ اینها سوالهایی است که سالیان سال ذهن ایگور زوتیچ (Igor Zutic)، فیزیکدان نظری، را به خود مشغول کرده است.
او به همراه تعداد کثیری از دانشمندان بر این باورند که آهنرباها میتوانند رایانش را متحول سازند، چرا که اساس دستگاههای حافظه، ذخیرهسازی و انتقال داده پرظرفیت و کممصرفند.
در توضیحات جدیدی در نشریه ساینس، زوتیچ و همکارش در دانشگاه بوفالو، جان سرن (John Cerne)، که مطالعاتی تجربی بر روی مغناطیس انجام میدهند، پیشرفت هیجانانگیزی را مطرح کردند: مطالعهای توسط دانشمندان ژاپنی نشان میدهد که میتوان خاصیت آهنربایی یک ماده را در دمای اتاق خاموش و روشن کرد.
آهنربایی یک ماده توسط خاصیتی تعیین میشود که تمامی الکترونها دارا هستند: چیزی به نام «اسپین». الکترونها میتوانند اسپین «بالا» یا «پایین» داشته باشند و وقتی بیشتر الکترونهای مادهای دارای اسپین مشابه باشند، آهنربا خواهیم داشت. اسپینهای منفرد چیزی شبیه آهنرباهای ریزی هستند که قطبهای شمال و جنوب دارند.
در مطالعه ژاپنیها، تیمی به رهبری پژوهشگران دانشگاه توهوکو، کبالت را به دیاکسید تیتانیوم، نیمهرسانای غیرمغناطیسی، افزودند و ماده جدیدی تولید کردند که همچون آفتابپرست میتواند در دمای اتاق از یک پارامگنت (یک ماده غیرمغناطیسی) به یک فرومگنت (یک ماده مغناطیسی) تغییر حالت دهد.
برای این تغییر، پژوهشگران ولتاژی الکتریکی به ماده اعمال کردند که ماده را در معرض الکترونهای اضافه میگذارد. آن طور که زوتیچ و سرن در گفتههایشان توضیح دادند، این الکترونهای اضافی - موسوم به «حاملها» - سیارند و اطلاعات را بین یونهای تثبیتشده کوبالت منتقل میسازند که باعث میشود چرخش الکترونهای کوبالت در یک جهت همسو شوند.
در مصاحبهای، زوتیچ توانایی خاموش و روشن کردن یک آهنربا را انقلابی خواند و دورنمای فناوری رایانش مبتنی بر مغناطیس یا اسپین - موسوم به «اسپینترونیک» - را در مقایسه با الکترونیک مرسوم شرح داد.
ابزارهای الکترونیک امروزی داده را به شکل نقشهای از صفرها و یکها، که در مدار توسط حضور یا غیبت الکترونها نشان داده میشوند، ذخیره میکنند و میخوانند. پردازش اطلاعات نیازمند حرکت الکترونها است، که خود موجب مصرف انرژی و تولید حرارت میشود.
در مقابل، ابزارهای اسپینترونیک داده را از طریق بهکارگیری اسپینهای «بالا» و «پایین» الکترونها که معادل صفر و یک گرفته میشوند، ذخیره و پردازش میکنند. پیشرفتهای آینده بهمنظورصرفهجویی انرژی در زمینه پردازش اطلاعات میتواند در برگیرنده دستگاههایی باشد که اطلاعات را به جای جابهجا کردن الکترون با «تغییر» اسپین پردازش میکنند.
زوتیچ و سرن در توضیحات خود در نشریه ساینس مینویسند که «آهنرباها میتوانند ما را در زمینه ساخت ترانزیستورهای چندشکلیتر کمک کرده، با فراهم آوردن سختافزاری هوشمند با قابلیت بازبرنامهریزی پویا، ما را به سمت یکپارچهسازی کامل حافظه و بخش منطقی سوق دهند.
«میدانهای مغناطیسی بزرگ میتوانند جهتگیری اسپین را بر ترانزیستورهای نیمهرسانا تحمیل کنند. با آهنرباهای متغیر، این همسویی قابل تنظیم و بینیاز از تاثیرپذیری از میدان مغناطیسی است که این موضوع میتواند نقش فرومغناطیسها را در فناوری، متحول سازد.»
در مصاحبهای، زوتیچ اظهار داشت که اعمال ولتاژ الکتریکی به نیمهرسانایی که کوبالت یا دیگر ناخالصیهای مغناطیسی به آن تزریق شدهاند، میتواند یک روش ایجاد آهنربای متغیر باشد.
بنا به اظهار وی اعمال حرارت یا نور به چنین مادهای میتواند اثر مشابهی داشته باشد، چرا که الکترونهایی آزاد میکند که میتوانند اطلاعات مربوط به سوی اسپین را بین یونها منتقل سازند.
ایدهپردازی در زمینه آهنرباهای متغیر مبتنی بر حرارت، که همچنان دستنیافتنی است، اولین بار توسط زوتیچ در سال 2002 مطرح شد. او با همکارانش آندره پتوخوف (Andre Petukhov) از مدرسه معدن و فناوری داکوتای جنوبی و استیون اروین (Steven Erwin) از آزمایشگاه پژوهشی نیروی دریایی، در سال 2007 مقالهای در زمینه رفتار چنین آهنرباهایی ارایه کردند.
به عقیده زوتیچ تصور تبدیل مواد نامغناطیسی به مغناطیس بهواسطه مجاورت با حرارت به نظر غیرمنطقی میرسد. دانشمندان سالها است چنین تصور کردهاند که مواد نظمدار مغناطیسی در اثر حرارت همسویی اسپین خود را از دست میدهند (همان گونه که قطعه یخ بلوری با افزایش حرارت به آب روان تبدیل میگردد.) ولی الکترونهای حامل عاملی کلیدی هستند. به گفته زوتیچ از آن جا که حرارت دادن یک ماده حاملهای اضافی پدیدار میسازد که میتوانند به چرخش الکترونهای مجاور در یک جهت منجر شوند، حرارت دادن مواد تغییریابنده (تا درجه حرارتی معین) باید در واقع باعث آهنربا شدن آنها گردد.
| < قبلی | بعدی > |
|---|