القليل لا يعني الأسوأ: الانزلاقات وجدران المجال في مغناطيسات الحديد

ربما سمعت أكثر من مرة أن شخصًا ما صنع أكبر كعكة في العالم أو أكبر بيتزا أو أكبر برجر. هذه السجلات مضحكة ، وأحيانًا مضحكة للغاية ، وفي حالة الخيارات المذكورة أعلاه لذيذة أيضًا. لكنها ليست مفيدة. يحب العالم العلمي أيضًا وضع أرقام قياسية في حجم شيء ما ، ولكن معارضة شديدة تمامًا. يحاول الباحثون من جميع أنحاء العالم استخدام أصغر الأشياء لصالح البشرية والتكنولوجيا. سنتحدث اليوم عن احتمالية استخدام جدران النطاق والتقطعات داخل مغناطيس ferrimagnet لتخزين المعلومات ونقلها. القول بأن هذه "الشركات" صغيرة هي أمر مبالغ فيه إلى حد كبير. ماذا وكيف تعمل ، وما هي احتمالات هذه الدراسة ، ولماذا بالضبط المغناطيس المغناطيسي؟ سنبحث عن إجابات في تقرير مجموعة البحث. دعنا نذهب.

الأساس النظري للدراسة

بادئ ذي بدء ، تجدر الإشارة إلى أن معظم الدراسات ، التي تعتمد على المغناطيسية وجوانبها بطريقة أو بأخرى ، تستخدم في الغالب مغناطيس حديدي بدلاً من مغناطيس. حرف واحد في الكلمة لا يغير الاسم فقط ، ولكن الجوهر كله.

المغناطيس المغناطيسي هو ما نلاحظه في أغلب الأحيان. إذا كان لديك مغناطيسًا معلقًا على ثلاجتك من عطلتك الأخيرة ، يجب أن تعرف أنه موجود بسبب المغناطيسية الحديدية. المغناطيس الحديدي هو مادة ممغنطة دون استخدام مجال مغناطيسي خارجي وعند درجة حرارة أقل من نقطة كوري. إذا تحدثنا عن درجة حرارة الغرفة ، فإن 4 مواد لها خصائص مغناطيسية حديدية: النيكل (Ni) والحديد (Fe) والكوبالت (Co) والروثينيوم (Ru) .


مغناطيس نيوديميوم (نيوديميوم أرضي نادر + حديد + بورون) ضد هاتف ذكي. الأشخاص الذين يعانون من رهاب الأسماء ، من فضلك لا تشاهد.

بمجرد تغيير الحرف "o" إلى "و" ، سنحصل على نوع جديد تمامًا من المواد. تشبه المغناطيسات الحديدية إلى حد ما إخوانهم للمغناطيسات الحديدية ، على الأقل تنطبق كل من الخصائص المغناطيسية على كل منهما ، وكلاهما "يعمل" عند درجة حرارة أقل من نقطة كوري. الاختلاف الأكثر أهمية هو حقيقة أن اللحظات المغناطيسية لذرات الشرائح الفرعية في المغناطيس المغناطيسي متناقضة. لماذا ذلك في الواقع ، المغناطيسات المغناطيسية عبارة عن مزيج من عدة عناصر كيميائية ، وليست واحدة ، كما هو الحال في المغناطيسات الحديدية. ونتيجة لذلك ، تتكون من عدة شبكات فرعية ، يختلف هيكلها إما في عدد الذرات أو في أصلها (عناصر كيميائية مختلفة). الرئيسي بين أصحاب السمات المغناطيسية هي الفريت ، التي تعتمد على أكسيد الحديد (Fe ₂ O ₃ ).


مقارنة اتجاه اللحظات المغناطيسية للمغناطيس الحديدي ( أ ) والمغناطيس الحديدي ( ب ).

والآن دعونا نلقي نظرة أعمق ومحاولة فهم ما هي جدران المجال هذه.

لذا ، فإن جدار النطاق هو حرفياً جدار بين مجالين مغناطيسيين ، وهو نوع من الميزة أو نقطة الحدود. استمرارًا للقياس الأخير ، فإن هذه المجالات المغناطيسية مثل كوريا الشمالية والجنوبية ، أي عكس بعضها البعض. بتعبير أدق ، لديهم اتجاهات مغنطة مختلفة.


المجالات المغناطيسية: تختلف المناطق السوداء والبيضاء في اتجاه ناقلات لحظاتها المغناطيسية.

المجال ، إذا لم يتم تعميقه ، هو جزء من بلورة مغناطيسية ، وهي منطقة مجهرية يتم فيها ترتيب ناقلات المغنطة بدقة فيما يتعلق بالنواقل في المنطقة المجاورة.

لكي لا تتكرر مرة أخرى ، يمكنك العثور على تفسير لما هو التقلص المغناطيسي في إحدى المقالات السابقة . سأقول بإيجاز فقط أن هذا هو نوع من قمع اللفات الذرية ، والتي سميت على اسم الفيزيائي توني سكيرم.


صورة أ - سكيرميون "القنفذ" ب - سكيرميون حلزوني.

لقد اكتشفنا النظرية قليلاً ، والآن دعونا نرى ما أعمى أبطالنا من كل هذا.

جوهر الدراسة

أعلاه ، فحصنا مغناطيسات حديدية ومغناطيسات حديدية ، وكذلك اختلافاتهم لسبب ما. يعتقد الباحثون أنه على الرغم من أن المغناطيسات المغناطيسية لها خصائص وخصائص مفيدة بشكل مدهش ، إلا أنها لا تزال محدودة السرعة والحجم ، وبشكل أدق ، يمكن استخدامها لنقل البيانات بشكل أبطأ ، وسيكون كل بت "أكبر" مما لو تم استخدام المغناطيسات المغناطيسية. يبدو واعدًا جدًا ، ولكنه يتطلب إثباتًا. ما فعله العلماء في هذه الدراسة.

كان الأساس المادي للتجربة هو مركب Pt / Gd ₄₄ Co ₅₆ / TaOx ، بشكل أدق ، غشاء رقيق منه.


الصورة رقم 1

بادئ ذي بدء ، قرر المحققون دراسة إحصائيات وديناميكيات بنية الدوران لـ Gd ₄₄ Co ₅₆ (الصورة 1 أ ) ، وهي سبيكة مغناطيسية غير متبلورة. تتمتع الشبكات الفرعية المقترنة بمضادات المغناطيسية لهذه السبيكة بعامل ز مماثل ، وبالتالي فإن TA (درجة حرارة تعويض الزخم الزاوي) قريبة جدًا من TM (درجة حرارة تعويض المغنطة).

كما نعلم بالفعل ، كان بطل التجارب هو Pt / Gd ₄₄ Co ₅₆ / TaOx. كان سمك الفيلم لكل مكون كما يلي: Ta - 1 nm؛ PT - 6 نانومتر ؛ Gd ₄₄ Co ₅₆ - 6 نانومتر ؛ تاوكس - 3 نانومتر. تم جذب جميع الأفلام بشكل عمودي وتم ترسيبها على ركيزة Si / SiO ₂ عن طريق الاخرق.

كانت الطبقة السفلية (Pt) المصدر الرئيسي لدوامات المدار تدور (يشار إليها فيما بعد باسم SOW ) وتولد باستمرار تفاعل Dzyaloshinsky-Morii القوي (المشار إليه فيما يلي بـ VDM ) ، وهو المسؤول عن المظاهر الضعيفة للمغناطيسية الحديدية في العوازل المضادة للمغناطيسية. الطبقة العليا (TaOx) واقية.

يظهر على الرسم البياني 1 ب ، كدالة الاعتماد على درجة الحرارة ، مؤشرين: القوة القسرية (المربعات) اللازمة لإزالة المغنطة الكاملة للمغناطيس الحديدي (أو المغناطيس الحديدي) والتشبع المغناطيسي (الدوائر). تم الحصول على المؤشر الأول بواسطة طريقة قياس المغناطيسية الاهتزازية ، والثاني بواسطة طريقة قياس الاستقطاب لتأثير كير المغنطيسي البصري.

بفضل البيانات التي تم الحصول عليها ( 1s و 1 d ) ، وجد أن TM حوالي 240 كلفن (كلفن) ، حيث لوحظ التباطؤ في تأثير كير المغنطيسي البصري.

من خلال مجهر كير واسع المجال ، أجريت دراسات لحركة جدار المجال. يوضح الشكل 1 عدة صور عندما تم تطبيق نبضات تيار نانو ثانية على جدار المجال ، مما اضطرها إلى التحرك على طول مسار معين.

كل من الجدران ، صعودا وهبوطا (اتجاه نواقل مغنطة) ، تحركت على طول المسار الحالي ، حيث كانت توجد جدران مجال نيل * التي تسيطر عليها الدوامات المدارية.


مقارنة بين جدار النيل ( أ ) وجدار بلوخ ( ب ).

جدار نيل * - التمغنط في هذا النوع من الجدران يدور عموديًا عليه ، وليس في مستواه.

الرسم البياني 1 و هو نسبة سرعة جدار النطاق (vDW) ودرجة الحرارة (T). لوحظت ذروة كبيرة بدقة عند 260 كلفن ، وهي أعلى من TM المحددة مسبقًا.

وتجدر الإشارة إلى أن الاختلافات بين حقول SOW و VDM ليست السبب الرئيسي لزيادة سرعة جدار المجال.


الصورة رقم 2 أ

يوضح الشكل 2 أ تحليلاً لتأثير المجال والتيار على سرعة جدار النطاق عن طريق مخطط زحف. ونرى أنه في كلتا الحالتين تكون النتيجة متطابقة.

Skyrmions من ferrimagnets

من الجدير بالذكر أن المغناطيسات المغناطيسية يمكن أن تحتوي على أجزاء أصغر بكثير من المغناطيسات المغناطيسية ، وذلك بسبب ضعف مجال إزالة المغناطيسية. علاوة على ذلك ، توجد هذه المناطق في درجات حرارة الغرفة. في السابق ، كانت أحجام مثل هذه المناطق في نطاق 30 نانومتر - 2 ميكرومتر في درجات الحرارة المبردة. يتم تفسير الأحجام الكبيرة للتقطعات من خلال تفاعل ثنائي القطب القوي في الهياكل متعددة الطبقات ، والتي تتكون عادة من المعادن الثقيلة والمغناطيسات الحديدية.


مقارنة skyrmions.

توضح الصورة a الحالة الموضحة أعلاه (هيكل متعدد الطبقات مغناطيسي) ، حيث يوجد اعتماد مباشر على طاقة skyrmion (E) على نصف قطرها. في حالة مغناطيسات الحديد ، يمكن جعل الطبقة أرق بكثير ، ولن تكون هناك حاجة لزيادة قوة مجال إزالة المغناطيسية (الصورة ب ). حسب الباحثون أيضًا استخدام الرنين المغناطيسي النووي في مجال صفري * نسبة أحجام التقلص وحالة VDM (الرسم البياني ج ).

ZM-field NMR * - رنين مغناطيسي نووي بلا مجال ، يستخدم لتحليل المواد المرتبة مغناطيسيًا ، بشكل أدق ، لتحديد التغيرات في البلورات أو الهياكل المغناطيسية.

أظهر التحليل أن مجال إزالة المغنطة يمكن أن يزعزع استقرار VDM عندما تكون درجة الحرارة الحقيقية بعيدة جدًا عن درجة حرارة تعويض المغنطة المحددة مسبقًا (TM). في هذه الحالة ، يمكن أن تظل انزلاقات VDM مستقرة لفترة طويلة عند التشبع المغناطيسي (MS) من 150 كيلو أمبير / م ^-1 . وهذا يتوافق مع درجات حرارة أعلى بكثير (حوالي 100 كلف TM) من مغناطيسات حديدية متعددة الطبقات.


القبض على skyrmions.

هذه الاستنتاجات هي نتيجة الحسابات والمحاكاة ، ولكن تم تأكيدها بالكامل من خلال التصوير بالأشعة السينية في درجة حرارة الغرفة لعينة Pt / Gd ₄₄ Co ₅₆ / TaOx.


صور ثلاثية الأبعاد للأشعة السينية لـ Pt / Gd ₄₄ Co ₅₆ / TaOx.

كما يتبين من الصور ، تم العثور على الكثير من skyrmions في أجزاء مختلفة من العينة. يلاحظ العلماء أيضًا أنه لم يتم العثور على أي علامات ارتباط بين موضع skyrmions قبل التشبع وإعادة التنوي. على سبيل المثال ، في الصورة 5 د ، تشير المربعات الملونة إلى الأماكن التي لا توجد بها قطع صغيرة ، لكنها كانت موجودة في وقت سابق (الصور 5 أ و 5 ب ). في هذه الحالة ، تختفي جميع التقلصات عندما تصل قوة المجال المغناطيسي إلى 450 طن متري (مليتيسلا).

بلغ متوسط ​​حجم skyrmions 23 نانومتر (5 جم). كان أصغر سكيرميون حوالي 10 نانومتر في القطر. هذا مهم لأن هذا الحجم أصغر بكثير مما هو ملاحظ للتقلصات في مغناطيسات الحديد في درجة حرارة الغرفة. يفسر العلماء عدم التجانس في أحجام التقلصات من خلال تباين بنية العينة ، أي وجود اختلافات في الخصائص داخل بنية واحدة.

من الجدير أيضًا مراعاة حقيقة أن حجم التقلصات في الصور تم تحديده من خلال أكبر كفاف للمناطق المظلمة. في الواقع ، إن نباتات skyrmions أصغر.

بالنسبة لأولئك الذين يرغبون في التعرف على الدراسة بمزيد من التفصيل ، أوصي بأن تنظر في تقرير العلماء والمواد الإضافية إليه.

الخاتمة

تمكن الباحثون من إظهار أن المغناطيسات المغناطيسية ، على الرغم من مزاياها ، لن تكون قادرة على البقاء احتكارية لفترة طويلة. مغناطيس Ferrimagnets قادر على إظهار نتائج ممتازة. في هذه الحالة ، كان من الممكن تحقيق إزاحة لجدار المجال بسرعة 1 كم / ثانية ، وكان الحد الأدنى لحجم skyrmion لا يزيد قطره عن 10 نانومتر. والأهم من ذلك - كل هذا في درجة حرارة الغرفة. هذا الأخير جذاب بشكل خاص للاستخدام العملي. تظهر العديد من التطورات في مرحلة البحث نتائج جيدة فقط في ظروف معينة (درجة الحرارة والضغط والرطوبة ومختلف المجالات الكهرومغناطيسية والإشعاع ، وما إلى ذلك) ، والتي لا يمكن إعادة إنشائها إلا في المختبر.

يعتقد العلماء أن المغناطيسات المغناطيسية يمكن أن تصبح أساسًا للأجهزة الإلكترونية السinينية المستقبلية. في الوقت نفسه ، يمكن التحكم في خصائصها وتغييرها وتعديلها وفقًا لاحتياجات جهاز أو عملية معينة. علاوة على ذلك ، سيجعل هذا من الممكن تحقيق أنظمة تدور مغناطيسية مضادة للهرومغناطيسية ، حيث سيتم مع ذلك اكتشاف الحالة المغناطيسية بسهولة بواسطة الطرق البصرية أو الكهربائية.

لا يزال هناك الكثير لنتعلمه. سيكون هناك أيضا العديد من الصعوبات. لكن جميع التقنيات ومؤلفيها مروا بطريق شائك في وقتهم قبل تحقيق الكمال. تذكرت حالة واحدة ، لا أعرف مدى صحته ، ولكن لا يزال. في أيام السيارات الأولى ، وقع حادث ، قرر الجاني الهروب من مكان الحادث. قبضت عليه الشرطة على الدراجات. ماذا لدينا الان سيارات قادرة على التسارع إلى 350 كم / ساعة على الأقل. هناك بالفعل دراجة للمطاردة ليست مناسبة.

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).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 نوى) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps حتى ديسمبر مجانًا عند الدفع لمدة ستة أشهر ، يمكنك الطلب هنا .

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؟