Putar "solid" dalam kisi sarang lebah buatan

Dalam lingkaran ilmiah tertentu, diskusi sedang berlangsung mengenai korelasi magnetik pada suhu rendah dalam kisi sarang lebah magnetik buatan dua dimensi. Para ahli teori berpendapat bahwa sistem seperti itu mampu menunjukkan pembentukan keadaan padat dengan entropi putaran nol * . Namun, dalam praktiknya, sifat-sifat tersebut belum ditemukan. Penelitian ini mengambil langkah percaya diri untuk memahami fenomena di atas. Apa yang sebenarnya bisa dipelajari oleh para peneliti, kami akan mengerti berkat laporan mereka. Ayo pergi.

Entropi * - dengan kata sederhana, ini adalah keadaan sistem yang elemen-elemennya tidak dipesan, mis. semrawut.

Penelitian ini berfokus pada studi korelasi magnetik dalam kisi-kisi honeycomb permalloy buatan * . Dimensi elemen sekitar 12 nm (panjang) pada 5 nm (lebar) pada 10 nm (ketebalan). Indikator penting dalam proses menurunkan hasil penelitian adalah hamburan neutron * dan simulasi mikromagnetik yang bergantung pada suhu.

Permalloy * adalah paduan besi dan nikel dengan sifat magnetik lunak. Bahan tersebut memiliki sifat ferri atau feromagnet, dan gaya koersifnya (kekuatan medan magnet yang diperlukan untuk demagnetisasi bahan secara lengkap) tidak lebih dari 4 kA / m.

Hamburan Neutron * - dibagi menjadi dua jenis utama: Hamburan elastis dan non-elastis. Elastis memungkinkan Anda mempelajari struktur zat padat, cair, dan gas, karena hanya hamburan yang dipertimbangkan ketika atom tidak memasuki keadaan tereksitasi. Dalam kasus hamburan neutron non-elastis, seseorang dapat memperoleh data tentang ikatan dalam materi melalui terjadinya proses eksitasi dalam atom. Hamburan neutron sangat baik untuk analisis bahan magnetik, karena neutron memiliki sifat magnetik dan bertindak sebagai magnet dasar.

Simulasi numerik data neutron terpolarisasi reflectometry * menjelaskan evolusi tergantung suhu dari korelasi putaran dalam sistem ini.

Neometron reflectometry * - sinar neutron adalah kejadian pada sampel datar yang menghamburkan partikel. Dari sudut tertentu, pengamatan terhadap partikel-partikel ini dilakukan. Spektrum sudut yang diperoleh memungkinkan kita untuk menentukan sifat magnetik elemen sampel uji.

Ketika suhu menurun hingga K7 K, sistem berusaha mengembangkan keadaan spin solid baru, yang dimanifestasikan oleh distribusi arus eddy magnetik * dari kiralitas yang berlawanan * .

Eddy current * - arus listrik yang timbul pada konduktor ketika fluks medan magnet yang bekerja padanya berubah seiring waktu.

Chirality * - asimetri (kurangnya simetri) dari sisi kanan dan kiri suatu objek.

Hasil pengujian dilengkapi dengan simulasi mikromagnetik yang bergantung pada suhu, yang mengkonfirmasi dominasi keadaan spin solid di atas keadaan terurut dari muatan magnet dalam kisi seluler buatan. Data ini memungkinkan untuk mempelajari korelasi keadaan padatan baru dalam kisi sarang lebah buatan dua dimensi.

Dasar-Dasar Sistem dan Penelitian

Kisi sarang lebah dua dimensi adalah dasar yang ideal untuk menguji banyak sifat bahan magnetik, serta interaksinya dalam satu sistem tunggal. Para peneliti memberikan perhatian khusus pada hal-hal yang tidak biasa seperti berbagai keadaan materi: spin ice * , spinairan * dan spin solid, dibentuk oleh distribusi arus eddy magnetik dari kiralitas yang berlawanan.

Spin ice * adalah zat di mana momen magnetik atom disusun dengan cara yang sama seperti proton dalam es biasa.

Spin liquid * adalah keadaan sistem di mana kata "liquid" digunakan untuk menekankan fakta spin yang tidak teratur, yang berbeda dari keadaan spin feromagnetik, sama seperti keadaan air (cairan) berbeda dari keadaan es (struktur kristal). Perbedaan utama antara fluida spin adalah pelestarian keadaan ini bahkan pada suhu terendah.

Aspek penting adalah kenyataan bahwa variasi kompleks fase magnetik entropi terkontrol, yang diperkirakan terjadi dalam kisi sarang lebah buatan sebagai fungsi menurunkan suhu, tidak dapat direalisasikan dalam bahan pertukaran.

Studi teoritis terbaru menunjukkan bahwa kisi sarang lebah menunjukkan sifat paramagnet * pada suhu tinggi, sesuai dengan gas dengan muatan magnet ± 1 dan ± 3.

Paramagnet * - suatu zat yang dapat dimagnetisasi oleh medan magnet luar memiliki kerentanan magnetik positif, tetapi jauh lebih rendah daripada kesatuan.

Ketika suhu menurun, sistem beralih dari keadaan spin ice, ketika momen magnetik terletak pada prinsip "2 in and 1 out" atau "1 in and 2 out". Yaitu, 2 momen magnetik (atau 1 dalam perwujudan kedua) diarahkan di dalam sel kisi sarang lebah, dan 1 momen (atau 2 dalam perwujudan kedua) diarahkan ke luar.

Penurunan suhu lebih lanjut mengarah pada pembentukan rezim pemesanan baru, yang ditandai dengan "urutan muatan" topologi dengan muatan magnet ± 1. ( Gambar No. 3 ).

Dalam hal ini, diharapkan jumlah panas akan sesuai dengan kekuatan interaksi dipol * (≈D).

Interaksi dipol * - interaksi dua dipol magnetik (batas loop tertutup arus listrik atau sepasang plus, karena ukuran sumber dikurangi menjadi nol, dengan tetap mempertahankan momen magnet konstan).

Pada suhu yang jauh lebih rendah, sistem masuk ke dalam urutan pemintalan arus eddy dengan nol entropi, yang dapat segera disebut keadaan spin solid. Ini adalah fase magnetik baru dengan nol entropi dan magnetisasi.


Gambar No. 3 (untuk kemudahan melihat diposting di sini dan selanjutnya)

Sebuah studi rinci tentang parameter reflectometry neutron terpolarisasi dan hamburan neutron sudut kecil * mengungkapkan pembentukan dispersi magnetik tambahan dari korelasi di dalam pesawat dengan penurunan suhu hingga 7 K.

Hamburan neutron sudut kecil * adalah hamburan elastis berkas neutron oleh inhomogenitas suatu zat yang dimensinya melebihi panjang gelombang radiasi, yaitu λ = 0,1–1 nm.

Penyebaran difusi sangat ditentukan oleh simulasi numerik konfigurasi keadaan spin solid, di mana momen magnetik bersama dengan elemen penghubung dari kisi sarang lebah permalloy menunjukkan urutan bergantian arus eddy dari kiralitas yang berlawanan.

Pembentukan keadaan spin solid juga, terlepas dari indikator lain, dikonfirmasi oleh pemodelan mikromagnetik tergantung suhu, yang menunjukkan perkembangan ketergantungan suhu korelasi putaran dalam kisi sarang lebah dengan dimensi yang sama dari elemen-elemennya.

Pada saat ini, dasar dari upaya untuk mencapai keadaan spin dari padatan adalah metode litografi berkas elektron untuk pembuatan sampel. Metode ini menghasilkan sampel ukuran kecil, tetapi dengan parameter elementer besar. Sebagai aturan, kisi sarang lebah dari jenis ini menunjukkan tingkat energi tinggi ikatan antar inter104 K.

Namun, tipe baru dari honeycomb lattice baru-baru ini telah diusulkan, yang terdiri dari sangat tipis (beberapa angstrom * ) dan elemen-elemen permalloy besar yang terpisah dengan baik (panjang ≈500 nm, lebar 20-50 nm). Dalam hal ini, energi antar elemen sangat berkurang.

Angstrom * - 1 Å = 0,1 nm.

Untuk pengujian, dipilih kisi sarang lebah dengan unsur-unsur penyusun yang sangat kecil, karena ukurannya yang kecil itu sendiri sangat mengurangi energi elektrostatik dari sekitar 12 hingga 15 K. Oleh karena itu, opsi ini adalah yang terbaik untuk mempelajari ketergantungan suhu dari fase magnetik.

Hasil percobaan dan analisisnya

Untuk membuat kisi sarang lebah, perlu disintesis kopolimer diblock (terdiri dari dua blok berpasangan) pola heksagonal dan menghubungkan permalloy ke permukaan substrat silikon dalam vakum sangat tinggi * .

Vakum ultra-tinggi * - media gas dengan kerapatan gas sangat rendah saat tekanannya 10 ^-9 mm Hg dan di bawah.

Pola kopolimer diblock serupa juga digunakan untuk membuat bahan berstruktur nano.

Dalam kondisi fisik yang sesuai, kopolimer diblock rentan terhadap pengorganisasian sendiri, sedangkan sampel komponen tunggal akan membuat struktur periodik yang besar.

Kesederhanaan menyesuaikan sifat struktural dan parameter kisi dengan mengubah komposisi dan / atau berat molekul kopolimer diblock memungkinkan untuk membuat banyak bahan nano. Contoh yang mencolok adalah pembuatan titik nano, cincin nano dan simpul partikel nano.

Relatif baru-baru ini, pola diblock dalam hubungannya dengan GLAD (deposisi sudut pandang) telah memungkinkan penciptaan struktur hierarki directional dari nanopartikel logam.


Gambar No. 1a

Gambar di atas ( 1a ) menunjukkan foto sampel kisi sel yang diambil oleh mikroskop kekuatan atom * .

Mikroskop gaya atom * - memungkinkan Anda untuk menentukan topografi permukaan dengan resolusi hingga atom.

Pengukuran yang diperoleh dengan hamburan sinar-X sudut kecil dalam insiden geser (GISAS) menunjukkan kualitas tinggi dari struktur sampel. GISAS memberikan kesempatan untuk mempertimbangkan secara lebih rinci fitur struktural sistem. Untuk pengukuran seperti itu, sumber Ga K _α * dengan panjang gelombang 1,34 Å dan sudut datangnya 0,15 ° digunakan.

Notasi zigban * - dalam spektroskopi sinar-X digunakan untuk memberi nama garis spektral (fitur dari bagian spektrum, yang dimanifestasikan dalam penurunan lokal atau peningkatan level sinyal).

Untuk mengurangi sinar pantulan, digunakan film stainless steel setebal 1 mm.


Gambar # 1b

Pada gambar di atas ( 1b ), terlihat bahwa panjang ikatan = 12 nm, lebar = 5 nm, dan segregasi kisi = 31 nm.

Puncak kedua dan ketiga sesuai dengan kisi heksagonal dua dimensi. Juga dicatat bahwa puncak orde tinggi tumpang tindih dengan latar belakang dalam data, yang muncul karena kemungkinan heterogenitas sampel. Ukuran elemen penyusun kisi bervariasi dalam batas 12 × 5 nm yang diperlukan untuk penelitian. Namun, penyimpangan ini tidak memiliki pengaruh yang kuat, karena bahkan energi antar elemen berubah sangat kecil (kurang dari 2 K dengan perubahan dimensi sebesar 2 nm).

Pemodelan data GISAXS mengkonfirmasi keberadaan domain besar (wilayah) tatanan struktural jangka panjang dalam kisi sarang lebah (panjang korelasi paracrystal = 250 nm).

Untuk menyelidiki korelasi antara momen magnetik dan elemen seluler, percobaan dilakukan dengan neutron terpolarisasi, yaitu reflectometry, serta GISAXS. Kombinasi dari prosedur ini memungkinkan kami untuk mempelajari korelasi magnetik dalam kisi sarang lebah pada skala 5 nm hingga 10 μm.


Gambar No. 2

Gambar 2 menunjukkan indeks pengukuran intensitas pantulan berbeda untuk neutron dalam keadaan spin up dan spin down, serta pada suhu 300 K dan 7 K.
Sumbu y mewakili vektor hamburan di luar bidang (rumus No. 1). Perbedaan antara komponen z dari insiden dan vektor gelombang keluar (rumus No. 2) ditampilkan oleh sumbu x.


Formula No. 1 dan No. 2

Dengan demikian, arah vertikal dan horizontal sesuai dengan korelasi di luar pesawat dan di dalam pesawat. Refleksi sesuai dengan x = 0. Perbedaan yang jelas terlihat antara hamburan pada suhu tinggi dan rendah.

Pada suhu T = 300 K, intensitas pantulan lebih dari 2 orde magnitudo lebih kuat daripada dalam kasus data non-cermin, yang sangat umum untuk sistem tersebut.

Hamburan ringan di daerah non-cermin juga diamati, disebabkan oleh sifat paramagnetik saat ini dan struktur sarang lebah.

Ketika suhu sampel dikurangi menjadi 7 K, sinyal non-cermin meningkat sangat. Akibatnya, sinar cermin tidak dapat dibedakan dari latar belakang non-cermin. Jika kita memperhitungkan bahwa struktur nuklir tidak mengalami perubahan signifikan karena pendinginan, maka efek ini dapat dijelaskan semata-mata oleh perubahan karakteristik magnetik sistem.

Pita lebar di sepanjang sumbu horizontal dalam grafik neutron reflectometry pada suhu 7K menunjukkan perkembangan korelasi magnetik pada bidang kisi sel (Gambar No. 2).

Untuk analisis lebih lanjut dari struktur magnetik sampel, data yang diperoleh secara eksperimental dibandingkan dengan yang diperoleh dengan perhitungan berdasarkan pada basis teoritis yang memungkinkan untuk memprediksi keadaan fase magnetik, khususnya, keadaan paramagnetik, serta es berputar (es-1), yang dipesan sesuai pesanan konfigurasi (es-2) dan spin solid. Semua ini divisualisasikan dalam gambar No. 3.


Gambar No. 3

Untuk mensimulasikan berbagai keadaan magnet, perkiraan Born dengan gelombang terdistorsi (DWBA) digunakan.

Seperti dapat dilihat dari grafik yang lebih rendah pada gambar No. 2, hamburan cahaya tidak bertepatan dengan besarnya korelasi spin-spin. Perbedaan antara es-2 dan putaran padatan agak kecil, meskipun indeks sesuai dengan data eksperimental pada putaran padatan. Seperti disebutkan sebelumnya, keadaan putaran padatan dicapai dengan mengganti arus eddy dari kiralitas yang berbeda.

Percobaan menunjukkan bahwa energi antar-elemen dalam kisi sarang lebah buatan adalah sekitar 12 K. Indikator ini sangat penting untuk pembentukan keadaan terisi bermuatan magnetik, diikuti oleh keadaan padatan, ketika suhu turun ke 0 K. Sebagai kesimpulan, peningkatan intensitas yang diamati sepenuhnya sesuai dengan prediksi. perhitungan perilaku sampel.


Gambar No. 4

Sepanjang sumbu Qy, model dari kisaran Q _z = 0,025 ^{-1 -1} ... 0,045 ^{-1 -1} ditunjukkan pada gambar No. 3 dan data yang dihitung ditunjukkan pada gambar No. 4 digabungkan. Pada 300 K, lompatan yang terlihat diamati dekat _Qy = 0,02 Å ^-1 , yang sesuai dengan struktur inti, serta hamburan lengkap dalam keadaan gas atau es-1. Dengan penurunan suhu ke 7 K di wilayah Qy = 0,012 Å ^-1 , intensitas tambahan dibentuk yang sesuai dengan keadaan es-2 dan / atau keadaan putaran benda padat.

Namun, agar sampel menunjukkan keadaan es-2, pada _Qy = 0,025 Å ^-1 , intensitas akhir harus diamati, yang tidak ada dalam data yang dihitung.

Akibatnya, profil intensitas terlihat sangat terbatas, meskipun sesuai dengan profil yang diprediksi oleh perhitungan untuk keadaan putaran benda padat dan untuk keadaan campuran (padat / es).


Gambar No. 5

Di atas adalah hasil pemodelan mikromagnetik tergantung suhu pada suhu 0 K, 100 K, 200 K dan 300 K. Masing-masing menunjukkan perbedaan kualitatif dalam kurva histeresis magnetik.

Kesimpulan dari para peneliti

Sebuah studi eksperimental tentang korelasi magnetisme dan penurunan suhu kisi sarang lebah buatan menunjukkan penampilan keadaan spin padatan. Ini menjadi mungkin ketika suhu turun di bawah energi antar-elemen, yaitu sekitar 12 K. Keadaan ini unik untuk struktur dua dimensi. Tidak seperti sistem tiga dimensi, fluktuasi kuat dari tatanan magnet membatasi kemungkinan pemesanan magnetik dalam struktur dimensi rendah. Perlu juga dicatat bahwa teori gelombang spin berlaku untuk sistem dua dimensi yang serupa hanya pada suhu rendah.

Saya sangat menyarankan Anda membaca laporan para peneliti, tersedia di sini.

Epilog

Penelitian ini adalah alat untuk memahami sifat-sifat magnet dimensi rendah, hubungan keadaan putaran dan suhu, serta karakteristik magnetik kisi sarang lebah buatan. Sebagian besar, karya peneliti membawa hasil teoritis, didukung oleh data yang diperoleh secara eksperimen. Ternyata hasil percobaan ini tidak memiliki aplikasi praktis? Pernyataan ini benar dan tidak. Studi tersebut bertujuan untuk memahami berbagai sifat berbagai bahan. Setelah menerima jawaban atas pertanyaan-pertanyaan yang diajukan oleh para peneliti, dimungkinkan untuk memperluas spektrum basis teoretis, yang akan memungkinkan di masa depan untuk menjelaskan secara lebih rinci tidak hanya sifat-sifatnya, tetapi juga kemungkinan bidang penerapan karakteristik yang baru ditemukan dari sistem tertentu. Studi ini dapat dibesar-besarkan untuk disebut sebagai setetes pengetahuan, yang dapat kita temukan teknologi baru dan meningkatkan yang sudah ada.

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami buat untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?