कम का मतलब बदतर नहीं है: फ़िरोमैग्नेट्स में स्काईयर और डोमेन दीवारें

आपने शायद एक से अधिक बार सुना होगा कि किसी ने दुनिया का सबसे बड़ा केक या सबसे बड़ा पिज्जा या सबसे बड़ा बर्गर बनाया। ये रिकॉर्ड मज़ेदार हैं, कभी-कभी बहुत मज़ेदार होते हैं, और उपरोक्त विकल्पों के मामले में भी स्वादिष्ट होते हैं। लेकिन वे उपयोगी नहीं हैं। वैज्ञानिक दुनिया भी किसी चीज़ के आकार में रिकॉर्ड बनाना पसंद करती है, लेकिन हाल ही में इसका विरोध किया गया। मानवता और प्रौद्योगिकी के लाभ के लिए दुनिया भर के शोधकर्ता सबसे छोटी वस्तुओं का उपयोग करने की कोशिश कर रहे हैं। आज हम जानकारी के भंडारण और संचारण के लिए एक फेरिमैग्नेट के अंदर डोमेन दीवारों और स्काईयरमेशन का उपयोग करने की संभावना के बारे में बात करेंगे। यह कहने के लिए कि ये "वाहक" छोटे हैं, अतिशयोक्तिपूर्ण हैं। यह क्या और कैसे काम करता है, इस अध्ययन के लिए क्या संभावनाएं हैं, और वास्तव में फेरिमैग्नेट्स क्यों हैं? हम अनुसंधान समूह की रिपोर्ट में उत्तर की तलाश करेंगे। चलो चलते हैं।

अध्ययन का सैद्धांतिक आधार

सबसे पहले, यह ध्यान देने योग्य है कि अधिकांश अध्ययन, जो चुंबकत्व और उसके पहलुओं पर एक या दूसरे तरीके से आधारित होते हैं, ज्यादातर फेरमैग्नेट के बजाय फेरोमैग्नेट का उपयोग करते हैं। एक शब्द में एक अक्षर वास्तव में न केवल नाम, बल्कि पूरे सार को बदलता है।

एक फेरोमैग्नेट वह है जिसे हम सबसे अधिक बार देखते हैं। यदि आपके पास अपने अंतिम अवकाश से आपके रेफ्रिजरेटर पर एक चुंबक लटका हुआ है, तो आपको पता होना चाहिए कि यह फेरोमैग्नेटिज़्म के कारण है। फेरोमैग्नेट एक ऐसा पदार्थ है जो बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के उपयोग के बिना और क्यूरी बिंदु से नीचे के तापमान पर चुम्बकित होता है। अगर हम कमरे के तापमान के बारे में बात करते हैं, तो 4 पदार्थों में फेरोमैग्नेटिक गुण होते हैं: निकल (नी), लोहा (Fe), कोबाल्ट (Co) और रूथेनियम (Ru) ।


एक स्मार्टफोन के खिलाफ नियोडिमियम मैग्नेट (दुर्लभ पृथ्वी neodymium + iron + बोरॉन)। नोमोफोबिया वाले लोग, कृपया न देखें।

जैसे ही हम अक्षर "o" को "और" में बदलते हैं, हमें एक पूरी तरह से नए प्रकार का पदार्थ मिलेगा। फेरिमैग्नेट्स फेरोमैग्नेट्स के अपने भाइयों के समान हैं, कम से कम दोनों चुंबकीय विशेषताएं उन दोनों पर लागू होती हैं, और दोनों क्यूरी बिंदु से नीचे के तापमान पर "काम" करते हैं। सबसे महत्वपूर्ण अंतर यह तथ्य है कि फेरिमैग्नेट्स में, उदात्त के परमाणुओं के चुंबकीय क्षण एंटीपैरल होते हैं। ऐसा क्यों? वास्तव में, फेरिमैग्नेट्स कई रासायनिक तत्वों का कॉकटेल हैं, और एक नहीं, जैसा कि फेरोमैग्नेट्स में है। इसके कारण, उनके पास कई उप-रेखाएं होती हैं, जिनमें से संरचना या तो परमाणुओं की संख्या में या उनके मूल (विभिन्न रासायनिक तत्वों) में भिन्न होती है। फेरिमैग्नेटिक विशेषताओं के मालिकों के बीच मुख्य फेराइट हैं, जो लोहे के ऑक्साइड (Fe ₂ O ₃ ) पर आधारित हैं।


फेरोमैग्नेट ( ए ) और एक फेरिमैग्नेट ( बी ) के चुंबकीय क्षणों की दिशा की तुलना।

और अब आइए गहराई से देखें और समझने की कोशिश करें कि ये डोमेन दीवारें क्या हैं।

तो, एक डोमेन दीवार लगभग शाब्दिक रूप से दो चुंबकीय डोमेन, एक प्रकार की सुविधा या सीमा बिंदु के बीच की दीवार है। अंतिम सादृश्य को जारी रखते हुए, उत्तर और दक्षिण कोरिया जैसे ये चुंबकीय डोमेन, एक दूसरे के विपरीत हैं। अधिक सटीक रूप से, उनके पास चुंबकीयकरण की अलग-अलग दिशाएं हैं।


चुंबकीय डोमेन: काले और सफेद क्षेत्र अपने चुंबकीय क्षणों के वैक्टर की दिशा में भिन्न होते हैं।

डोमेन, यदि गहरा नहीं किया जाता है, तो एक चुंबकीय क्रिस्टल का हिस्सा होता है, एक सूक्ष्म क्षेत्र जिसमें चुंबकीयकरण वैक्टर को सख्ती से पड़ोसी क्षेत्र में वैक्टर के संबंध में आदेश दिया जाता है।

फिर से नहीं दोहराने के लिए, आप पिछले लेखों में से एक में एक चुंबकीय स्किरिअम क्या है, इसका स्पष्टीकरण पा सकते हैं। मैं केवल संक्षेप में कहूंगा कि यह एक प्रकार का परमाणु स्पिन है, जिसे भौतिक विज्ञानी टोनी स्किरम के नाम पर रखा गया है।


छवि - एक स्किर्मियन "हेजहोग", बी - सर्पिल स्किर्मियन।

हमने सिद्धांत को थोड़ा सा समझ लिया है, अब देखते हैं कि हमारे नायक इस सब से क्या अंधे थे।

अध्ययन का सार

ऊपर, हमने फेरोमैग्नेट्स और फेरिमैग्नेट्स की जांच की, साथ ही एक कारण के लिए उनके मतभेद भी। शोधकर्ताओं का मानना ​​है कि हालांकि फेरोमैग्नेट्स में आश्चर्यजनक रूप से उपयोगी विशेषताएं और गुण हैं, वे अभी भी गति और आकार में सीमित हैं, अधिक सटीक रूप से, उनका उपयोग डेटा को अधिक धीरे-धीरे स्थानांतरित करने के लिए किया जा सकता है, और अगर फेरिमैग्नेट्स का उपयोग किया जाता है तो प्रत्येक बिट "बड़ा" होगा। यह बहुत आशाजनक लगता है, लेकिन प्रमाण की आवश्यकता होती है। वैज्ञानिकों ने इस अध्ययन में क्या किया।

प्रयोग का भौतिक आधार Pt / Gd ₄₄ Co ₅₆ / TaOx यौगिक था, अधिक सटीक रूप से, इससे एक पतली फिल्म।


चित्र संख्या 1

शुरू करने के लिए, जांचकर्ताओं ने जीडी ₄₄ सीओ ₅₆ (छवि 1 ए ) के स्पिन संरचना के स्टैटिक्स और गतिशीलता का अध्ययन करने का फैसला किया, जो एक अनाकार फेरिमैग्नेटिक मिश्र धातु है। इस मिश्र धातु के एंटीफिरोमैग्नेटिक रूप से युग्मित उप-खंडों में एक समान जी-कारक है, इसलिए, टीए (कोणीय गति क्षतिपूर्ति तापमान) टीएम (मैग्नेटाइजेशन मुआवजा तापमान) के बहुत करीब है।

जैसा कि हम पहले से ही जानते हैं, प्रयोगों का नायक पं। जीडी ₄₄ सीओ ₅₆ / टाओएक्स था। प्रत्येक घटक की फिल्म की मोटाई इस प्रकार थी: टा - 1 एनएम; पं - 6 एनएम; जीडी ₄₄ सीओ ₅₆ - 6 एनएम; टैओक्स - 3 एनएम। सभी फिल्में लंबवत रूप से चुम्बकित की गईं और स्पिटिंग द्वारा एक Si / SiO ₂ सब्सट्रेट पर जमा की गईं।

निचली परत (Pt) स्पिन-ऑर्बिट वोर्टिसेस (इसके बाद SOW के रूप में संदर्भित ) का मुख्य स्रोत था और लगातार मजबूत Dzyaloshinsky-Morii इंटरेक्शन (इसके बाद VDM ) उत्पन्न हुआ, जो कि एंटीफ्रॉमोमैग्नेटिक डाइलेट्रिक्स में फेरोमैग्नेटिज़्म की कमजोर अभिव्यक्तियों के लिए जिम्मेदार है। ऊपरी परत (TaOx) सुरक्षात्मक है।

ग्राफ 1 बी पर, तापमान निर्भरता के एक समारोह के रूप में, दो संकेतक दिखाए जाते हैं: एक फेरिमैग्नेट (या फेरोमैग्नेट) और चुंबकीय संतृप्ति (सर्कल) के पूर्ण विघटन के लिए आवश्यक बल (वर्ग)। पहला सूचक वाइब्रेशनल मैग्नेटोमेट्री की विधि द्वारा प्राप्त किया गया था, और दूसरा मैग्नेटो-ऑप्टिकल फेर प्रभाव के पोलिमेट्री की विधि द्वारा प्राप्त किया गया था।

प्राप्त आंकड़ों ( 1s और 1d ) के लिए धन्यवाद, यह पाया गया कि TM लगभग 240 K (केल्विन) है, क्योंकि मैग्नेटो-ऑप्टिकल केर प्रभाव का एक हिस्टैरिसीस मनाया जाता है।

विस्तृत क्षेत्र केर माइक्रोस्कोपी के माध्यम से, डोमेन दीवार की गति का अध्ययन किया गया। चित्र 1 में कई चित्र दिखाए गए हैं जब एक डोमेन दीवार पर नैनोसेकंड वर्तमान दालों को लागू किया गया था, जो किसी दिए गए मार्ग के साथ चलने के लिए मजबूर करता है।

प्रत्येक दीवार, ऊपर-नीचे और नीचे-ऊपर (मैग्नेटाइजेशन वैक्टर की दिशा), वर्तमान पथ के साथ चले गए, जहां स्पिन-ऑर्बिट भंवरों द्वारा नियंत्रित नील डोमेन दीवारें भी मौजूद थीं।


नील दीवार ( ए ) और बलोच दीवार ( बी ) की तुलना।

नेयेल की दीवार * - इस प्रकार की दीवार में चुम्बकीयकरण उसके लिए लंबवत घूमता है, और उसके विमान में नहीं।

ग्राफ 1f डोमेन वॉल (vDW) और तापमान (T) के वेग का अनुपात है। एक महत्वपूर्ण शिखर 260 K पर सटीक रूप से मनाया जाता है, जो पहले से स्थापित TM की तुलना में अधिक है।

यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि एसओडब्ल्यू और वीडीएम के क्षेत्रों के बीच की विसंगतियां डोमेन दीवार के वेग में वृद्धि का मुख्य कारण नहीं हैं।


चित्र संख्या 2 ए

चित्रा 2 ए एक रेंगना आरेख के माध्यम से एक डोमेन दीवार के वेग पर क्षेत्र और वर्तमान के प्रभाव का विश्लेषण दिखाता है। और हम देखते हैं कि दोनों मामलों में परिणाम समान है।

फेरिमैग्नेट्स का स्किमर

यह ध्यान देने योग्य है कि फेरिमैग्नेट्स को उनके कमजोर डीमेग्नेटाइजेशन क्षेत्र के कारण फेरोमैग्नेट्स की तुलना में बहुत छोटे स्किर्मियन हो सकते हैं। इसके अलावा, ये आसमान कमरे के तापमान पर मौजूद हैं। पहले, इस तरह के आसमानों के आकार क्रायोजेनिक तापमान पर 30 एनएम - 2 माइक्रोन की सीमा में थे। आमतौर पर भारी धातुओं और फेरोमैग्नेट्स के साथ बहुपरत संरचनाओं में मजबूत द्विध्रुवीय अंतःक्रिया द्वारा स्कर्मीन्स के बड़े आकार की व्याख्या की जाती है।


गगनचुंबी इमारतों की तुलना।

छवि ऊपर वर्णित मामले (फेरोमैग्नेटिक मल्टीलेयर संरचना) को दिखाती है, जिसमें इसकी त्रिज्या ® पर स्काईयरियन एनर्जी (ई) की प्रत्यक्ष निर्भरता है। फेरिमैग्नेट्स के मामले में, लेयर को ज्यादा पतला बनाना संभव है, बिना डीमेग्नेटाइजेशन फील्ड (इमेज बी ) की ताकत बढ़ाने की आवश्यकता के बिना। शोधकर्ताओं ने भी एक शून्य क्षेत्र में एनएमआर का उपयोग करके गणना की * गगनचुंबी इमारत के आकार और VDM की स्थिति (ग्राफ c )।

शून्य-क्षेत्र NMR * - शून्य-क्षेत्र परमाणु चुंबकीय अनुनाद, जिसका उपयोग उनके क्रिस्टल या चुंबकीय संरचनाओं में परिवर्तन निर्धारित करने के लिए चुंबकीय रूप से आदेशित पदार्थों के विश्लेषण के लिए किया जाता है।

विश्लेषण से पता चला कि डीमैग्नेटाइजेशन फ़ील्ड VDM स्किर्मियन को अस्थिर कर सकती है जब वास्तविक तापमान पहले से सेट मैग्नेटाइजेशन मुआवजा तापमान (टीएम) से बहुत दूर हो। इस मामले में, 150 kA / m ^–1 के क्रम के चुंबकीय संतृप्ति (Ms) पर VDM स्किर्म लंबे समय तक स्थिर रह सकते हैं। और यह बहुपरत फेरोमैग्नेट की तुलना में बहुत अधिक (लगभग 100 K उच्च TM) तापमान से मेल खाती है।


कब्जा कर लिया आसमान।

ये निष्कर्ष गणना और सिमुलेशन का परिणाम हैं, लेकिन वे पं / जीडी ₄₄ सीओ ₅₆ / टैओक्स नमूने के कमरे के तापमान पर एक्स-रे होलोग्राफी द्वारा पूरी तरह से पुष्टि की गई थी।


Pt / Gd ₄₄ Co ₅₆ / TaOx की एक्स-रे होलोग्राफी छवियां।

जैसा कि छवियों से देखा जा सकता है, नमूने के विभिन्न भागों में काफी स्किमर पाए गए थे। वैज्ञानिक यह भी ध्यान देते हैं कि संतृप्ति और पुन: न्यूक्लियेशन से पहले कंकालों की स्थिति के बीच सहसंबंध का कोई संकेत नहीं मिला था। उदाहरण के लिए, छवि 5d में, रंगीन वर्ग उन स्थानों को चिह्नित करते हैं जहां कोई रेखाचित्र नहीं हैं, लेकिन वे पहले वहां थे (चित्र 5 ए और 5 बी )। इस मामले में, चुंबकीय क्षेत्र की ताकत 450 मिलियन टन (मिलिट्सला) तक पहुंचने पर सभी रेखाचित्र गायब हो जाते हैं।

आसमानों का आकार औसतन 23 एनएम ( 5 ग्राम) था। सबसे छोटा गढ़ व्यास में लगभग 10 एनएम था। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि यह आकार कमरे के तापमान पर फेरोमैग्नेट्स में स्किर्म के लिए जो देखा जाता है, उससे बहुत छोटा है। वैज्ञानिकों ने नमूने की संरचना के अनिसोट्रॉपी द्वारा स्किर्मियों के आकार की विविधता की व्याख्या की है, जो कि एक संरचना के भीतर गुणों में अंतर की उपस्थिति से होती है।

यह भी इस तथ्य पर विचार करने के लायक है कि छवियों में स्किर्म का आकार अंधेरे क्षेत्रों के सबसे बड़े समोच्च द्वारा निर्धारित किया गया था। वास्तव में, skyrmions और भी छोटे हैं।

जो लोग अधिक विस्तार से अध्ययन के साथ खुद को परिचित करना चाहते हैं, मैं सुझाव देता हूं कि आप वैज्ञानिकों की रिपोर्ट और इसके लिए अतिरिक्त सामग्रियों पर ध्यान दें।

उपसंहार

शोधकर्ता यह दिखाने में सक्षम थे कि फेरोमैग्नेट्स, उनके फायदे के बावजूद, लंबे समय तक एकाधिकार नहीं रह पाएंगे। फेरिमैग्नेट्स भी उत्कृष्ट परिणाम दिखाने में सक्षम हैं। इस मामले में, 1 किमी / सेकंड की गति से डोमेन की दीवार के विस्थापन को प्राप्त करना संभव था, और स्कीमर का न्यूनतम आकार व्यास में 10 एनएम से अधिक नहीं था। और सबसे महत्वपूर्ण बात - यह सब कमरे के तापमान पर। उत्तरार्द्ध व्यावहारिक उपयोग के लिए विशेष रूप से आकर्षक है। अनुसंधान चरण में कई विकास केवल कुछ स्थितियों (तापमान, दबाव, आर्द्रता, विभिन्न विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र और विकिरण, आदि) में अच्छे परिणाम दिखाते हैं, जो केवल प्रयोगशाला में बनाए जा सकते हैं।

वैज्ञानिकों का मानना ​​है कि फेरिमैग्नेट्स भविष्य के स्प्रिंटोनिक उपकरणों का आधार बन सकते हैं। एक ही समय में, उनके गुणों को किसी विशेष उपकरण या प्रक्रिया की जरूरतों को नियंत्रित, परिवर्तित और समायोजित किया जा सकता है। इसके अलावा, यह एंटीफ़ैरोमैग्नेटिक स्पिन सिस्टम को महसूस करना संभव बना देगा जिसमें चुंबकीय या विद्युत विधियों द्वारा चुंबकीय स्थिति का आसानी से पता लगाया जा सकेगा।

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