حالة الدوران "صلبة" في شبكة قرص العسل الاصطناعية

في دوائر علمية معينة ، تجري مناقشة بشأن الارتباط المغناطيسي عند درجات حرارة منخفضة في شبكة شعرية مغناطيسية ثنائية الأبعاد مصطنعة. يجادل المنظرون في أن مثل هذا النظام قادر على إظهار تكوين حالة صلبة مع عدم وجود انتروبيا تدور * . ومع ذلك ، من الناحية العملية ، لم يتم اكتشاف مثل هذه الخصائص حتى الآن. تأخذ هذه الدراسة خطوة واثقة نحو فهم الظواهر المذكورة أعلاه. ما استطاع الباحثون تعلمه بالضبط ، سوف نفهمه بفضل تقريرهم. دعنا نذهب.

الإنتروبي * - بكلمات بسيطة ، هذه هي حالة النظام الذي لم يتم ترتيب عناصره ، أي فوضوي.

تركز هذه الدراسة على دراسة الارتباط المغناطيسي في شعرية بيرلومل العسل الاصطناعية * . كانت أبعاد العناصر حوالي 12 نانومتر (الطول) عند 5 نانومتر (العرض) عند 10 نانومتر (السمك). كان أحد المؤشرات المهمة في عملية استخلاص نتائج الدراسة هو التشتت النيوتروني * والمحاكاة المغناطيسية الميكروية المعتمدة على درجة الحرارة.

Permalloy * عبارة عن سبيكة من الحديد والنيكل لها خصائص مغناطيسية ناعمة. هذه المواد لها خصائص مغناطيس حديدي أو حديدي ، وقوتها القسرية (شدة المجال المغناطيسي اللازمة لإزالة المغنطة الكاملة للمادة) لا تزيد عن 4 كيلو أمبير / م.

تشتت النيوترون * - ينقسم إلى نوعين رئيسيين: الانتثار المرن وغير المرن. تسمح لك المرونة بدراسة هيكل المواد الصلبة والسائلة والغازات ، حيث يتم النظر في التشتت فقط عندما لا تدخل الذرات في حالة مثيرة. في حالة التشتت النيوتروني غير المرن ، يمكن للمرء الحصول على بيانات عن الروابط في المادة من خلال حدوث عمليات إثارة في الذرات. تشتت النيوترون ممتاز لتحليل المواد المغناطيسية ، لأن النيوترونات لها خصائص مغناطيسية وتعمل كمغناطيسات أولية.

تشرح المحاكاة العددية لبيانات النيوترونات المستقطبة * الانعكاسية التطور المعتمد على درجة الحرارة لارتباط السبين في هذا النظام.

قياس الانعكاس النيوتروني * - تقع حزمة نيوترونية على عينة مسطحة تبعثر الجسيمات. من زاوية معينة ، تتم مراقبة هذه الجسيمات. يسمح لنا الطيف الزاوي الذي تم الحصول عليه بتحديد الخصائص المغناطيسية لعناصر عينة الاختبار.

مع انخفاض درجة الحرارة إلى ≈7 K ، يسعى النظام إلى تطوير حالة صلبة جديدة تدور ، والتي تتجلى من خلال التوزيع المتناوب للتيارات الدوامية المغناطيسية * للكرومات المعاكسة * .

تيارات إيدي * - تيار كهربائي ينشأ في الموصلات عندما يتغير تدفق المجال المغناطيسي المؤثر عليها مع مرور الوقت.

Chirality * - عدم التماثل (نقص التماثل) بين الجانبين الأيمن والأيسر من الجسم.

يتم استكمال نتائج الاختبار بمحاكاة مغناطيسية مغناطيسية تعتمد على درجة الحرارة ، والتي تؤكد هيمنة الحالة الصلبة للدوران على الحالة المنظمة للشحنة المغناطيسية في شبكة خلوية اصطناعية. هذه البيانات تجعل من الممكن دراسة العلاقة بين الحالة الصلبة الجديدة للدوران في شبكة شعرية ثنائية الأبعاد مصنوعة من قرص العسل.

أساسيات النظام والبحث

تعتبر شبكة شعر العسل ثنائية الأبعاد أساسًا مثاليًا لاختبار العديد من خصائص المواد المغناطيسية ، بالإضافة إلى تفاعلها داخل نظام واحد. أولى الباحثون اهتمامًا خاصًا لأشياء غير عادية مثل حالات مختلفة من المادة: الجليد الدوار * والسوائل الدورانية * والصلب المغزلي ، التي تشكلت عن طريق توزيع تيارات دوامة مغناطيسية للكرونات المعاكسة.

الجليد المغزلي * هو المادة التي يتم فيها ترتيب اللحظات المغناطيسية للذرات بنفس طريقة ترتيب البروتونات في الجليد العادي.

سائل الدوران * هو حالة من الأنظمة حيث يتم استخدام كلمة "سائل" للتأكيد على حقيقة الدوران المختلة ، والتي تختلف عن حالة السوائل المغناطيسية المغناطيسية ، تمامًا كما تختلف حالة الماء (السائل) عن حالة الجليد (التركيب البلوري). والفرق الرئيسي بين السوائل الدورانية هو الحفاظ على هذه الحالة حتى في أدنى درجات الحرارة.

جانب مهم هو حقيقة أن مجموعة متنوعة من المراحل المغناطيسية المعقدة للإنتروبيا الخاضعة للرقابة ، والتي من المتوقع أن تحدث في شبكة شعرية مصطنعة كدالة لخفض درجة الحرارة ، لا يمكن أن تتحقق في مادة التبادل.

تشير الدراسات النظرية الحديثة إلى أن شبكة شعرية على شكل قرص العسل تظهر خصائص مغناطيس * في درجات حرارة عالية ، تقابل غازًا مع شحنة مغناطيسية تبلغ ± 1 و ± 3.

Paramagnet * - مادة يمكن مغنطة مجال مغناطيسي خارجي لها حساسية مغناطيسية إيجابية ، لكنها أقل بكثير من الوحدة.

عندما تنخفض درجة الحرارة ، يتحول النظام من حالة الجليد الدائر ، عندما تكون اللحظات المغناطيسية موجودة على مبدأ "2 في و 1 خارج" أو "1 في الداخل و 2 خارج". أي ، يتم توجيه لحظتين مغنطيسيتين (أو 1 في النموذج الثاني) داخل خلية شعرية قرص العسل ، ويتم توجيه لحظة واحدة (أو 2 في النموذج الثاني) إلى الخارج.

يؤدي الانخفاض الإضافي في درجة الحرارة إلى تكوين نظام ترتيب جديد يتميز بـ "ترتيب شحن طوبولوجي" بشحنة مغناطيسية تبلغ ± 1. ( الصورة رقم 3 ).

في هذه الحالة ، من المتوقع أن تتوافق كمية الحرارة مع قوة تفاعل ثنائي القطب * (≈D).

تفاعل ثنائي القطب * - تفاعل ثنائي ثنائي مغناطيسي (حد إما حلقة مغلقة من تيار كهربائي أو زوج من الإيجابيات ، حيث يتم تقليل حجم المصدر إلى صفر ، مع الحفاظ على عزم مغناطيسي ثابت).

في درجات الحرارة المنخفضة جدًا ، يدخل النظام في حالة ترتيب الدوران للتيارات الدوامية بدون إنتروبيا صفرية ، والتي يمكن أن تسمى قريبًا حالة المادة الصلبة الدورانية. هذه مرحلة مغناطيسية جديدة بدون انتروبيا ومغنطة.


الصورة رقم 3 (لسهولة المشاهدة المنشورة هنا وفيما بعد)

كشفت دراسة تفصيلية لمعلمات قياس الانعكاس النيوتروني المستقطب وتشتت النيوترون ذي الزاوية الصغيرة * تشكيل تشتت مغناطيسي إضافي من الارتباطات داخل الطائرة مع انخفاض في درجة الحرارة إلى 7 K.

التشتت النيوتروني ذي الزاوية الصغيرة * هو التشتت المرن لحزمة النيوترون عن طريق عدم تجانس مادة تتجاوز أبعادها الطول الموجي للإشعاع ، وهو λ = 0.1-1 نانومتر.

يتم تحديد تشتت الانتشار بشكل مثالي من خلال المحاكاة العددية لتكوين الحالة الصلبة للدوران ، حيث تظهر اللحظات المغناطيسية جنبًا إلى جنب مع العناصر المتصلة لشبكة شعرية غير منتظمة الشكل ترتيبًا متناوبًا للتيارات الدوامية من chirities المعاكس.

تم أيضًا تأكيد تكوين حالة مادة صلبة مغزولة ، بغض النظر عن المؤشرات الأخرى ، من خلال النمذجة المغناطيسية الدقيقة التي تعتمد على درجة الحرارة ، والتي أظهرت تطور الاعتماد على درجة الحرارة لارتباط السبين في شبكة شعرية على شكل قرص العسل بنفس أبعاد عناصره.

في الوقت الحالي ، أساس محاولات تحقيق حالة دوران مادة صلبة هو طريقة الطباعة الحجرية بالشعاع الإلكتروني لتصنيع العينات. ينتج عن هذه الطريقة عينات ذات أحجام صغيرة ، ولكن مع معلمات أولية كبيرة. كقاعدة ، تشير شبكة شعرية من هذا النوع إلى مستوى طاقة مرتفع من الروابط المتداخلة ≈104 K.

ومع ذلك ، تم اقتراح نوع جديد من شعرية قرص العسل مؤخرًا ، والذي يتكون من عناصر رقيقة جدًا (بعض الأنجستروم * ) وعناصر بيرمالوي كبيرة منفصلة جيدًا (الطول ≈500 نانومتر ، العرض 20-50 نانومتر). في هذه الحالة ، يتم تقليل طاقة التداخل بشكل كبير.

أنجستروم * - 1 Å = 0.1 نانومتر.

بالنسبة للاختبارات ، تم اختيار شبكة شعرية على شكل خلية نحل مع عناصر مكونة صغيرة جدًا ، نظرًا لأن حجمها الصغير في حد ذاته يقلل بشكل كبير من الطاقة الكهروستاتيكية من حوالي 12 إلى 15 كلفنًا ، لذلك ، يعد هذا الخيار الأفضل لدراسة اعتماد درجة الحرارة على الأطوار المغناطيسية.

نتائج التجارب وتحليلها

لإنشاء شبكة شعرية على شكل خلية نحل ، كان من الضروري تركيب ثنائي بوليمر مشترك (يتكون من كتلتين متزاوجتين) نمط سداسي وتوصيل بيرمالوي بسطح الركيزة السليكونية في فراغ عالي للغاية * .

فراغ فائق الارتفاع * - وسيط غاز بكثافة غاز منخفضة جدًا عندما يكون الضغط من 10 إلى ⁹ ملم زئبق وأدناه.

كما تم استخدام أنماط بوليمر مشتركة ثنائية الكتلة لإنشاء مواد ذات بنية نانوية.

في ظل الظروف المادية المناسبة ، فإن البوليمر ثنائي القطب عرضة للتنظيم الذاتي ، في حين أن عينة مكونة واحدة ستنشئ هياكل دورية كبيرة.

إن بساطة تعديل الخواص الهيكلية ومعلمات الشبكة عن طريق تغيير التركيب و / أو الوزن الجزيئي للبوليمر المشترك ثنائي الكتلة يجعل من الممكن إنشاء العديد من المواد النانوية. ومن الأمثلة اللافتة على ذلك إنشاء نقاط النانو وحلقات النانو وعقد الجسيمات النانوية.

في الآونة الأخيرة نسبيًا ، سمحت أنماط diblock بالاشتراك مع GLAD (ترسب زاوية اللمعة) بإنشاء هياكل هرمية اتجاهية للجسيمات النانوية المعدنية.


الصورة رقم 1 أ

تُظهر الصورة أعلاه ( 1 أ ) صورة لعينة شبكية خلية تم التقاطها بواسطة مجهر القوة الذرية * .

مجهر القوة الذرية * - يسمح لك بتحديد تضاريس السطح بدقة تصل إلى الذرية.

أظهرت القياسات التي تم الحصول عليها عن طريق تشتت الأشعة السينية الصغيرة في وقوع انزلاق (GISAS) جودة عالية لهياكل العينة. توفر GISAS فرصة للنظر بمزيد من التفصيل في الميزات الهيكلية للنظام. لمثل هذه القياسات ، تم استخدام مصدر Ga K _α * بطول موجة 1.34 Å وزاوية الورود 0.15 °.

تدوين زيجبان * - في التحليل الطيفي بالأشعة السينية يستخدم لتسمية الخطوط الطيفية (سمة من سمات قسم الطيف ، والتي تتجلى في انخفاض أو زيادة محلية في مستوى الإشارة).

للتخفيف من الشعاع المنعكس ، تم استخدام فيلم من الفولاذ المقاوم للصدأ بسماكة 1 مم.


الصورة رقم 1 ب

في الصورة أعلاه ( 1 ب ) ، يُلاحظ أن طول الرابطة = 12 نانومتر ، العرض = 5 نانومتر ، والفصل الشبكي = 31 نانومتر.

القمم الثانية والثالثة تتوافق مع شبكة سداسية ثنائية الأبعاد. ويلاحظ أيضًا أن القمم الأعلى تتداخل مع الخلفية في البيانات ، والتي تنشأ بسبب عدم تجانس العينة المحتمل. تختلف أحجام العناصر المكونة للشبكة في حدود 12 × 5 نانومتر اللازمة للبحث. ومع ذلك ، فإن هذه الانحرافات ليس لها تأثير قوي ، نظرًا لأن طاقة التداخل تتغير بشكل طفيف للغاية (بأقل من 2 كلفن مع تغيرات الأبعاد بمقدار 2 نانومتر).

أكدت نمذجة بيانات GISAXS وجود نطاق كبير (منطقة) من النظام الهيكلي بعيد المدى في شبكة شعرية العسل (طول ارتباط paracrystal = 250 نانومتر).

من أجل التحقيق في العلاقة بين اللحظات المغناطيسية والعناصر الخلوية ، تم إجراء التجارب باستخدام النيوترونات المستقطبة ، أي قياس الانعكاس ، وكذلك GISAXS. أتاح لنا الجمع بين هذه الإجراءات دراسة الارتباط المغناطيسي في شبكة قرص العسل بمقياس من 5 نانومتر إلى 10 ميكرومتر.


الصورة رقم 2

يوضح الشكل 2 مؤشرات قياس شدة الانعكاس المختلفة للنيوترونات في حالات الدوران لأعلى واللف ، وكذلك عند درجة حرارة 300 كلفن و 7 كلفن.
يمثل المحور y متجه الانتثار خارج المستوى (الصيغة رقم 1). يتم عرض الفرق بين المكونات z للحادث وناقلات الموجة الصادرة (الصيغة رقم 2) بواسطة المحور x.


الصيغتان رقم 1 ورقم 2

وبالتالي ، فإن الاتجاهين الرأسي والأفقي يتوافق مع الارتباطات خارج الطائرة وداخل الطائرة. يقابل الانعكاس x = 0. هناك فرق واضح بين التشتت عند درجات الحرارة العالية والمنخفضة.

عند درجة حرارة T = 300 كلفن ، تكون شدة الانعكاس أكثر من أمرين من حيث الحجم أقوى مما كانت عليه في حالة البيانات غير المتطابقة ، وهو أمر شائع جدًا لهذه الأنظمة.

كما لوحظ تشتت طفيف في المناطق غير المرآة ، الناجم عن الطبيعة البارامغناطيسية للحظة وبنية قرص العسل على هذا النحو.

عندما تم تخفيض درجة حرارة العينة إلى 7 ك ، زادت الإشارة غير المرآة بشكل كبير. ونتيجة لذلك ، لا يمكن تمييز شعاع المرآة عن خلفية غير مرآة. إذا أخذنا في الاعتبار أن الهيكل النووي لا يخضع لتغييرات كبيرة بسبب التبريد ، فيمكن تفسير هذا التأثير فقط من خلال التغييرات في الخصائص المغناطيسية للنظام.

يشير النطاق الواسع على طول المحور الأفقي في الرسوم البيانية للقياس الانعكاسي النيوتروني عند درجة حرارة 7K إلى تطور الارتباطات المغناطيسية في مستوى شعرية الخلية (الصورة رقم 2).

لمزيد من التحليل للبنية المغناطيسية للعينة ، تتم مقارنة البيانات التي تم الحصول عليها تجريبيًا مع تلك التي تم الحصول عليها عن طريق الحسابات المستندة إلى قاعدة نظرية جعلت من الممكن التنبؤ بحالة الأطوار المغناطيسية ، على وجه الخصوص ، الحالة المغنطيسية ، بالإضافة إلى الجليد المغزلي (ice-1) ، مشحونة مرتبة التكوين (الجليد 2) والدوران الصلب. كل هذا مرئي في الصورة رقم 3.


الصورة رقم 3

لمحاكاة الحالات المغناطيسية المختلفة ، تم استخدام تقريب Born مع موجات مشوهة (DWBA).

كما يتبين من الرسوم البيانية السفلية في الصورة رقم 2 ، فإن تناثر الضوء لا يتزامن مع حجم ارتباط الدوران. الفرق بين ice-2 ولف مادة صلبة صغير إلى حد ما ، على الرغم من أن المؤشرات تتوافق مع البيانات التجريبية على لفات مادة صلبة. كما ذكرنا سابقًا ، تم تحقيق حالة الدوران للمادة الصلبة عن طريق تيارات دوامة متناوبة من chirities مختلفة.

أظهرت التجارب أن الطاقة بين العناصر في شبكة العسل الاصطناعية هي حوالي 12 كلفن. هذا المؤشر مهم للغاية لتشكيل حالة أمر مغناطيسي مشحون ، تليها حالة مادة صلبة ، عندما تنخفض درجة الحرارة إلى 0 ك. ونتيجة لذلك ، تتوافق الزيادة الملحوظة في الكثافة تمامًا مع التوقعات حسابات سلوك العينة.


الصورة رقم 4

على طول المحور Q _y ، تم دمج نماذج من النطاق Q _z = 0.025 ^{-1 -1} ... 0.045 ^{-1 -1} الموضحة في الصورة رقم 3 والبيانات المحسوبة الموضحة في الصورة رقم 4 تم دمجها. عند 300 K ، لوحظت قفزة مرئية بالقرب من Q _y = 0.02 Å ^-1 ، والتي تتوافق مع بنية النواة ، وكذلك التشتت الكامل في حالة الغاز أو الجليد -1. مع انخفاض درجة الحرارة إلى 7 K في منطقة Q _y = 0.012 Å ^-1 ، تم تشكيل شدة إضافية تتوافق مع حالة ice-2 و / أو حالة دوران مادة صلبة.

ومع ذلك ، لكي تثبت العينة حالة الجليد -2 ، عند Q _y = 0.025 Å ^-1 ، يجب ملاحظة شدة نهائية ، وهي ليست في البيانات المحسوبة.

ونتيجة لذلك ، يبدو ملف تعريف الكثافة محدودًا للغاية ، على الرغم من أنه يتوافق مع الملفات الشخصية التي تنبأت بها حسابات حالة الدوران للمادة الصلبة والحالة المختلطة (الصلبة / الجليدية).


الصورة رقم 5

أعلاه هي نتائج النمذجة المغناطيسية الدقيقة التي تعتمد على درجة الحرارة عند درجات حرارة 0 K و 100 K و 200 K و 300 K. كل منها يظهر اختلافات نوعية في منحنيات التباطؤ المغناطيسي.

خاتمة الباحثين

أظهرت دراسة تجريبية لعلاقة المغناطيسية وانخفاض درجة حرارة شعرية قرص العسل الاصطناعية ظهور حالة دوران مادة صلبة. يصبح هذا ممكنًا عندما تنخفض درجة الحرارة أقل من الطاقة بين العناصر ، أي ما يقرب من 12 كلفن. هذه الحالة فريدة لهيكل ثنائي الأبعاد. على عكس الأنظمة ثلاثية الأبعاد ، فإن التقلبات القوية في الترتيب المغناطيسي تحد من إمكانية الترتيب المغناطيسي في الهياكل منخفضة الأبعاد. من الجدير بالذكر أيضًا أن نظرية موجات الدوران تنطبق على أنظمة ثنائية الأبعاد مماثلة فقط في درجات حرارة منخفضة.

أوصي بشدة أن تقرأ تقرير الباحثين ، المتاح هنا.

الخاتمة

هذه الدراسة هي أداة لفهم خصائص المغناطيسات منخفضة الأبعاد ، والعلاقة بين حالة الدوران ودرجة الحرارة ، وكذلك الخصائص المغناطيسية لشبكة قرص العسل الاصطناعية. إلى حد كبير ، يحمل عمل الباحثين نتائج نظرية ، مدعومة ببيانات تم الحصول عليها تجريبياً. اتضح أن نتائج هذه التجارب ليس لها تطبيق عملي؟ هذا البيان صحيح وغير صحيح. تهدف هذه الدراسات إلى فهم الخصائص المختلفة للمواد المختلفة. بعد تلقي الإجابات على الأسئلة التي طرحها الباحثون ، من الممكن توسيع نطاق القاعدة النظرية ، مما سيجعل من الممكن في المستقبل وصف المزيد من التفاصيل ليس فقط الخصائص ، ولكن أيضًا المجالات المحتملة لتطبيق الخصائص المكتشفة حديثًا لنظام معين. يمكن المبالغة في هذه الدراسة ليتم تسميتها قطرة في كأس المعرفة ، وملء يمكننا اكتشاف التقنيات الجديدة وتحسين التقنيات الموجودة.

شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ هل تريد رؤية مواد أكثر إثارة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ، خصم 30 ٪ لمستخدمي Habr على نظير فريد من خوادم مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 نوى) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر الخيارات مع RAID1 و RAID10 ، حتى 24 مركزًا وحتى 40 جيجابايت DDR4).

ديل R730xd أرخص مرتين؟ فقط لدينا 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV من 249 دولارًا في هولندا والولايات المتحدة! اقرأ عن كيفية بناء مبنى البنية التحتية الطبقة باستخدام خوادم Dell R730xd E5-2650 v4 بتكلفة 9000 يورو مقابل سنت واحد؟