يبدو العالم من حولنا فوضويًا ولا يمكن التنبؤ به ، لكن هذا ليس صحيحًا تمامًا. العمليات المختلفة هي ثمار نشاط بعض الظواهر الفيزيائية أو الكيميائية التي تطيع القوانين التي لم تتغير منذ بداية الوقت. سمح لنا فضول الإنسان بالإجابة على العديد من الأسئلة ، لفهم كيف وماذا ولماذا يحدث. وقد أصبح من الصعب بشكل متزايد على العلماء الحصول على مفاجأة صغيرة على الأقل خلال أبحاثهم. لكننا نعرف الكثير عن كل شيء ، وبعيدًا عن كل شيء هو ما بدا من قبل. إلى جانب كلمات الأغاني ، سوف نتعرف اليوم على دراسة اكتشفت فيها مجموعة من العلماء وجود شرنقة الالتهابات القطبية في المادة التي صمموها. ما هو غير عادي في هذا ، وكيف تختلف هذه skyrmions عن تلك المغناطيسية ، ولماذا العلماء مهتمون جدا في دراسة هذه الظاهرة؟ سوف نجد إجابات لهذه الأسئلة وغيرها في تقرير مجموعة الأبحاث. دعنا نذهب.
أساس الدراسة
بادئ ذي بدء ، تجدر الإشارة إلى ما هو skyrmion وماذا يؤكل معها. في وقت سابق ، لقد تطرقنا بالفعل إلى موضوع السنايرين في المقالات السابقة:ما هو skyrmion المغناطيسي؟بادئ ذي بدء ، تجدر الإشارة إلى أن ذرات المواد المغناطيسية ، التي لها لحظتها المغناطيسية الخاصة للإلكترون ، تتصرف مثل المغناطيس ، بكلمات بسيطة. عندما يتم المغنطيس مادة ما ، يدور حول ذرات ذرات بطريقة معينة ، مما يجعل هذه المادة مغنطيس.
في عام 2009 ، اكتشف الباحثون ميزة رائعة للغاية من الذرات الفردية. كانت ظهورهم ملتوية في قمع (دوامات). سميت بنية مماثلة skyrmion ، تكريما للفيزيائي البريطاني توني Skyrme ، الذي وصف في عام 1962 نموذج رياضي من يدور دوامة.
صورة أ - skyrmion "القنفذ" ، ب - skyrmion دوامة.واحدة من الميزات الهامة لتكنولوجيا المعلومات عن skyrmions هو استقرارها الطوبوغرافية. خلاصة القول هي أن أي اضطراب يمكن أن يغير اتجاه الدوران ، ولكن سيظل الالتواء كما هو. وبالتالي ، يمكنك تخزين المعلومات في شكل ثنائي: 0 - لا يوجد skyrmion ، 1 - هناك skyrmion. ونظراً لحجم النانومتر لهذه الهياكل ، فإن كثافة تخزين المعلومات يمكن أن تزداد بشكل كبير.
وانطلاقًا من هذه المعلومات ، تم افتراض وجود مضادات الالتهاب أيضًا ، حيث تكون شحنة الطوبولوجيا معاكسة للشرنيون العاديين.
هياكل الدوران ثنائية الأبعاد لها طوبولوجيا لا تضاهى ، وهي المسؤولة عن مستوى معين من الاستقرار. تتميز هذه الهياكل بشحنة طوبولوجية:
حيث
m = m (r، t) هي متجه اتجاه اللحظات المغناطيسية في الزمان والمكان.
Skyrmions
(q = 1 ) و anti-skyrmions (
q = -1 ) لها شحنات معاكسة ويمكن أن تحدث في أزواج إذا حدث تشوه في حالة متجانسة (
q = 0 ). يمكن تقريب وصف ديناميات skyrmions و anti-skyrmions إذا تم اعتبار اللب بلا حراك ، مما يقلل من العدد المطلوب من المتغيرات لوصف حركتها.
تصف المعادلة الموضحة أدناه الحركة التثاقلية المسننة لموضع النواة (X) للماقات الصخرية ومضادات الالتهاب استجابة للقوة المطبقة (F):
G ، تساوي -qG0z ، عبارة عن ناقل جيروسكوبي ؛
α هو ثابت التوهين ؛
D0 هو عامل هيكلي.الديناميات في المعادلة أعلاه غير نيوتونية ، وبالتالي تعتمد استجابة الجيروسوتر على q وتملي الاتجاه الذي تتحرك فيه النواة.
وهنا يجدر التوضيح: إن السناغرات القطبية هي تكوينات طوبولوجية تتكون من شواحن كهربائية معاكسة ، أي ثنائيات القطب.
الميزة الأكثر إثارة للاهتمام هي حقيقة أن فقاعات skyrmion القطبية هذه هي نظائر كهربائية لل skyrmions مغناطيسية ، ولكنها ليست skyrmions مغناطيسية على هذا النحو. كلما كانت أفضل حالات التنقيب القطبي المدرسي ، كلما كان لدينا المزيد من الأدوات اللازمة للتلاعب بها ، وبالتالي ، الأدوات اللازمة للسيطرة على chirality وحتى السعة السلبية.
البحث في مجال الإلكترونيات الدقيقة و skyrmionics تدرس بنشاط على وجه التحديد skyrmions المغناطيسي. ومع ذلك ، لم تمنح skyrmions القطبية لهذا الشرف.
كيف توصل العلماء إلى ما نفكر فيه اليوم؟ والحقيقة هي أن الهياكل الطوبولوجية المعقدة هي مكان رائع للدراسة والبحث عن الظواهر والمراحل الغريبة التي تنشأ فيها. قام العلماء ، عن طريق تغيير القيود الفوقي ، باكتشاف حويصلات قرميدية قطنية عند درجة حرارة الغرفة في طبقة من تيتانات الرصاص (PbTiO
3 ) مطلية على كلا الجانبين بطبقات من تيتانات السترونتيوم (SrTiO
3 ) ، وبعبارة أخرى ، في البنية غير المتجانسة (PbTiO
3 )
n .
وراء هذه الدراسة النظرية التي تقول إنه من الممكن الحصول على فقاعات النانودومين والهياكل الطوبوغرافية الشبيهة باللايمونيوم في مجال الطاقة الكهروضوئية
* من خلال تفاعل الطاقات المرنة والإلكتروستاتيكية والتدرجات.
تعد الطاقة الحرارية الحديدية (أو الطاقة الكهرمائية ) * هي حدوث الاستقطاب التلقائي في البلورة عند درجة حرارة معينة حتى بدون وجود مجال كهربائي خارجي.
ويطلق على المواد المرنة الحديدية مواد أحادية البلورة ، يمكن أن تتشابه شبكتها العفوية مع انخفاض درجة الحرارة وانتقال المرحلة.
تم تصنيع عينات الدراسة - [(PbTiO
3 ) n / (SrTiO
3 )
n ]
m (n = 12-20 ، m = 1-8) - على ركائز أحادية البلور من تيتانات السترونتيوم (SrTiO
3 ) عن طريق التمزق بالليزر النبضي في توليفة مع حيود الإلكترونات السريعة.
كشف تحليل للطبولوجيا (أعلاه) عن طريق رسم خرائط RSM تشكيل الحلقة (الصور
ب ود ) مع توزيع الكثافة. قد تكون مظاهر مثل هذه الظاهرة الطوبولوجية في الفضاء المتبادل ناتجة عن النانو مكنسة كهربائية حرارية.
أيضا ، أظهر تحليل RSM مطابقة طبولوجيا الهيكل الثلاثي الطبقات وركيزة SrTiO
3 ، حيث يكون حجم الحلقة وعرضها في المستوى (
g ،
h ) متطابقين تقريبًا. في هذه الحالة ، لوحظ فرق قوي من دوامات النانو الدوامة الدورية التي لوحظت سابقًا في DyScO
3 (
e ،
f ).
كان من الضروري معرفة مصدر مثل هذا النمط الحيود ، والذي تم من أجله تطبيق طريقة التصور بواسطة TEM (المجهر الإلكتروني للإرسال).
الصورة رقم 1صور TEM لثلاث طبقات (م = 1) ، أي وتظهر heterostructure و superlattice (م = 8) في الصور
1A و
1B ، على التوالي. من بينهم يمكننا أن نلاحظ تعديل الكثافة مع نطاق طول حوالي 8 نانومتر ، مما يدل على تشكيل مناطق القطبية المضادة للالأزواج.
مكّنت صور SEM (مجهر إلكترون مسح الإرسال) للطبقة الثلاثية من تحديد وجود خليط دائري (قطره حوالي 8 نانومتر) وعناصر مستطيلة (
1C ). ولكن في الفائق ، سادت فقط صفائف من العناصر المستديرة (
1 د ).
يعتقد العلماء أن مثل هذا الهيكل غير عادي تمامًا ، نظرًا لحقيقة أن جدران المجال تنقسم إلى مناطق عديدة ذات ترتيب أقرب عبر العديد من الاتجاهات المستوية ، مما يؤدي إلى وجود عناصر دائرية ومستطيلة متميزة. سابقا ، لم يكن هذا لوحظ.
تُظهر الأشكال الداخلية (الزاوية العلوية اليمنى بمقدار
1 ثانية و
1 د ) صورًا للأشعة السينية بعد تحويل فورييه السريع ، والذي يُظهر بوضوح أربعة فصوص بتناظر دوراني ، أي مع دوران غير متشابه من الاستقطاب.
ثم أجرى العلماء سلسلة من العمليات الحسابية الرياضية للتأكد من أن الطوبولوجيا المرصودة تشبه إلى حد بعيد الهراوات المغناطيسية ولديها رقم دقيق وقابل للتحديد. أظهرت الحسابات أن ثنائيات الأقطاب الكهربائية المحلية تدور باستمرار داخل وخارج الطائرة في الواجهة بين PbTiO
3 و SrTiO
3 (
2a و
2b ).
الصورة رقم 2في الأجزاء العلوية والسفلية من الطبقة PbTiO
3 ، يكون للثنائيات استقطاب مستو يربط المناطق العليا مع الاستقطاب المتباعد والمناطق القطبية السفلية مع التقارب (
2 ج ،
2 هـ ). ويلاحظ أيضًا وجود ضغط لاستقطاب الدوران في المستوى x - y المتوسط لطبقة PbTiO
3 (
2b ،
2d ).
أدى تحليل نسيج الاستقطاب في السطوح البينية العلوية والسفلية لـ PbTiO
3 / SrTiO
3 (
2c ،
2e ) إلى إتاحة الكشف عن skyrmions من نوع القنفذ ، ولكن تم العثور على skyrmions من النوع اللولبي (
2d ) داخل طبقة PbTiO
3 .
حدد العلماء أيضًا نسيج الاستقطاب ، حيث يكون لمعلمة الطلب المحلي دوران صفري ، لكن الانحراف الإيجابي (الموجهات موجهة نحو الخارج) في المستوى العلوي (
2c ). في المستوى السفلي ، يحدث الموقف المعاكس (
2e ): هناك تباعد سلبي (الموجهات موجهة نحو الداخل). في الطبقة الوسطى ، يتجلى مكون الاستقطاب المستوي فقط بواسطة مكون موازٍ لجدار المجال ، كما هو الحال في السناير الحلزونية العادية (
2d ).
من هذه الملاحظات ، خلص العلماء إلى أن فقاعات ثلاثية الأبعاد من skyrmions القطبية هي نوع من تطور skyrmions ثنائية الأبعاد على طول الفيلم العادي: من أعلى إلى أسفل طبقة PbTiO
3 ، على التوالي ، من skyrmion "القنفذ" إلى الحلزوني ، ومرة أخرى إلى القنفذ. هذه الهياكل الطوبولوجية ، على الرغم من تطورها ، لا تزال متكافئة ، حيث يمكن تحويلها إلى بعضها البعض بسبب التشوه المستمر.
كانت الخطوة التالية في دراسة عينة غير عادية ذات خواص غير عادية هي دراسة التركيب الذري لفقاعة سكيميون. للقيام بذلك ، تم إجراء تخطيط الاستقطاب (الصورة
رقم 3 ).
الصورة رقم 3أظهر رسم خرائط متجه الإزاحة للتيتانيوم في الصور التي تم الحصول عليها في وقت سابق وجود حقل إزاحة مجهرية حول فقاعة واحدة من الفتحة. تُظهر خريطة المتجه (
3a ) ، المقابلة لهذه البيانات ، المنطقة التي ينتقل فيها التحيز العكسي للتيتانيوم من الحافة إلى المنتصف ، والذي يشبه بنية قنفذ "القنفذ".
في المقطع العرضي (
3b ) ، تكون المنطقة القطبية الأسطوانية ذات الاستقطاب المعاكس (للأعلى والأسفل) مرئية بوضوح. يدور متجه الاستقطاب عند الحدود القريبة من واجهة PbTiO
3 / SrTiO
3 ، وهو ما يتمشى مع تباين الاستقطاب الموضح في الصورة
3 أ . من خلال الجمع بين كلا النوعين من الصور (ثنائي الأبعاد ومع مقطع عرضي) ، كشف العلماء عن وجود بنية مماثلة في الجزء العلوي من طبقة PbTiO
3 .
باستخدام تحليل 4D-PEME لـ [(PbTiO
3 )
16 / (SrTiO
3 )
16 ]
8 superlattice ، تم الحصول على صورة (
3D ) وخريطة ترتيب قطبي باستخدام دفق الاحتمال (
3e ). من أجل تأكيد الملاحظات ، أجرى العلماء محاكاة لانتشار الحزمة عبر هيكل النموذج الموضح في الصورة رقم 2. تظهر نتائج المحاكاة على
3f و
3g .
تشير مجمل هذه الملاحظات إلى تشكيل هيكل skyrmion القطبي ، الذي تشبه مكوناته هيكل "القنفذ" ، حيث يدور اتجاه الاستقطاب من أعلى إلى أسفل من المركز إلى حافة skyrmion. يشبه الدوران المتباين والمتقارب للاستقطاب في الأجزاء العلوية والسفلية من الهيكل القطبي التكوين المغزلي لقشور نايل في المغناطيسات الحديدية. يجب أن يكون لهذه الهياكل ، وفقًا للعلماء ، خواص غير قياسية ، مثل chirality ورقم صفر skyrmion.
كان من الضروري التحقق من سبب إجراء حيود الرنين لإشعاع الأشعة السينية للشبكة الفائقة [(PbTiO
3 )
16 / (SrTiO
3 )
16 ]
8 .
الصورة رقم 4وفقًا للبنية المحاكية (الصورة رقم 2) ، يتقاطع خط وهمي على طول أي اتجاه في المستوى المركزي لكل طبقة PbTiO
3 مع جدران مجال Bloch فقط ، ونتيجة لذلك يظهر الاستقطاب المحلي دوران لولبي على طول هذا الخط. يشبه نسيج الاستقطاب اللولبي المماثل تقريباً التكوين الذي يحدث في المصفوفات الدوامة القطبية. وفقا لذلك ، ينبغي أن يؤدي ذلك إلى إشارة ثنائية اللون مماثلة من هيكل إلكتروني لولبي.
وأظهرت دراسة RSM وجود مجموعتين ترتيب (
4A ). أولاً ، على طول الاتجاه خارج الطائرة ، توجد قمم منتظمة مرتبطة بالدورية خارج مستوى الطائرة الفائقة (حوالي 12 نانومتر). ثانياً ، توجد قمم أقمار صناعية (واحد منها عند
4 ب ) في الاتجاه العمودي أو المستوي ، المقابلة للترتيب المستوي للهياكل القطبية (حوالي 8 نانومتر). نظرًا لأن طاقة الأشعة السينية يتم ضبطها من خلال حواف الامتصاص الخاصة بالتيتانيوم L
3 و L
2 ، فإن شدة قمم انعكاس القمر الصناعي حساسة للتشوهات الدورية ، لا سيما للسمات اللولبية للمدارات التيتانيوم متباين الخواص.
من خلال قياس الأطياف باستخدام الضوء المستقطب الدائري الأيمن والأيسر (
4c ) ، وفصل مضان الخلفية (
4d ) ومراعاة الفرق بين الأطياف اللذين تم الحصول
عليهما (
4e ) ، قام العلماء بقياس ازدواج اللون بالأشعة السينية الدائرية. يشير وجود ازدواج اللون الواضح على حافة L
3 إلى وجود تراكيب دائرية. في هذه الحالة ، لوحظ انحلال مزدوج اللون في الطبقة الفائقة وفي الطبقة الثلاث.
يفسر العلماء الطبيعة غير المغناطيسية لنظرية ثنائية اللون الدائرية المرصودة من خلال التكوين اللولبي لحظات الشحنة الرباعية.
بالإضافة إلى القياسات الموصوفة أعلاه ، قام العلماء أيضًا بفحص شدة نثر الرنين والانحراف المزدوج الدائر كدالة لمتجه الانتثار الجانبي (
4f ). من الناحية النظرية ، يجب أن ينتهك وجود المكونات الهيكلية لـ Bloch قانون Friedel نظرًا لانتهاك تناظر الانعكاس على طول الطائرة. وهذا هو السبب في أن عدم التماثل الملحوظ في شدة قمم الحيود المنعكس هو دليل على مكون الاستقطاب بلوخ في فقاعات skyrmion.
بتلخيص جميع الملاحظات والحسابات والقياسات ، يمكننا أن نقول بثقة أن فقاعات skyrmions القطبية موجودة في البنية المتغايرة المدروسة.
للتعرف أكثر تفصيلاً على الفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصي بشدة أن تنظر في
تقرير العلماء.خاتمة
كشفت هذه الدراسة هياكل skyrmion غير عادية في طبقة PbTiO3. هذه skyrmions الكهربائية ، وليس المغناطيسية ، كما كنا نسميها في وقت سابق. بالإضافة إلى ذلك ، فهي تجمع بين خصائص كل من نيل والبرغوث.
يلاحظ العلماء أن مثل هذا الهيكل skyrmion ثلاثي الأبعاد يختلف اختلافًا كبيرًا عن الهيكل ثنائي الأبعاد المعروف. يمكن تحريك فقاعات Skyrmion باستخدام مجال كهربائي ، مما يعطي تحكمًا أكبر وقدرة على استخدام هياكل مماثلة حيث كان هذا مستحيلًا في السابق.
في المستقبل ، يخطط العلماء لاستخدام هذه الدراسة في عملهم المقبل على اقتران الدوران المسؤول في الشبكات الفائقة. لم يتم بعد مناقشة التطبيق العملي لهذه التقنيات ، حيث لا يزال هناك الكثير مما يجب استكشافه. هناك شيء واحد واضح - السيطرة على هيكل أي مادة وخصائصها ، يمكنك تحقيق نتائج مذهلة.
شكرا لك على اهتمامك ، ابقَ فضوليًا ولديك أسبوع عمل جيدًا يا شباب!
شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ،
خصم 30٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من خوادم الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1 جيجابت في الثانية من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).
VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 مراكز) 10GB DDR4 240GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية حتى الصيف مجانًا عند الدفع لمدة ستة أشهر ، يمكنك طلب
هنا .
ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ فقط لدينا
2 من Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6 جيجا هرتز 14 جيجا بايت 64 جيجا بايت DDR4 4 × 960 جيجا بايت SSD 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 199 دولار في هولندا! Dell R420 - 2x E5-2430 سعة 2 جيجا هرتز 6 جيجا بايت 128 جيجا بايت ذاكرة DDR3 2x960GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 تيرابايت - من 99 دولارًا! اقرأ عن
كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟