کنترل دقیق اسپین الکترون‌ها به کمک ساخت مارپیچ‌های مغناطیسی!

به گزارش مجله خبری نگار/برنا،پژوهشگران کره‌ای موفق به مهندسی مارپیچ‌های مغناطیسی نانومتری شده‌اند که می‌توانند چرخش الکترون‌ها را با دقتی خارق‌العاده و در دمای اتاق کنترل کنند؛ دستاوردی که مسیر را برای توسعه دستگاه‌های اسپین‌ترونیک مقیاس‌پذیر و کم‌مصرف هموار می‌کند.

به گزارش sciencedaily، اسپین‌ترونیک یا الکترونیک اسپینی رویکردی نوین در پردازش اطلاعات است که به‌جای تکیه صرف بر جریان بار الکتریکی از ویژگی ذاتی الکترون‌ها یعنی ممنتوم زاویه‌ای (اسپین) بهره می‌گیرد. این فناوری آینده‌ساز، امکان ذخیره و پردازش داده‌ها را با سرعت بالاتر و مصرف انرژی کمتر فراهم می‌سازد. با این حال، یکی از چالش‌های کلیدی تحقق کامل آن، ساخت موادی است که بتوانند جهت اسپین الکترون‌ها را به‌طور دقیق کنترل کنند.

در پژوهشی تازه که نتایج آن در مجله Science منتشر شده است، تیمی به سرپرستی پروفسور یانگ‌کیون کیم از دانشگاه کره و پروفسور کی‌ته نام از دانشگاه ملی سئول، موفق به ساخت مارپیچ‌های مغناطیسی نانومتری شدند که قادرند اسپین الکترون‌ها را تنظیم کنند. این فناوری با ترکیب کایرالیته ساختاری (دست‌سانی) و خاصیت مغناطیسی، توانسته است در دمای اتاق اسپین‌فیلترینگ را بدون نیاز به مدار‌های پیچیده یا سامانه‌های سرمایشی محقق کند.

به گفته کیم این نانومارپیچ‌ها صرفا با هندسه و مغناطیس خود توانستند بیش از ۸۰ درصد قطبش اسپین ایجاد کنند. این ترکیب نادر از کایرالیته ساختاری و فرومغناطیس ذاتی، روشی نوین برای مهندسی رفتار الکترون‌ها بر اساس طراحی ساختاری ارائه می‌دهد.

پژوهشگران برای دستیابی به این ساختار‌ها فرآیند تبلور فلز را به‌طور الکتروشیمیایی کنترل کرده و با افزودن مقادیر اندک از مولکول‌های آلی کایرال مانند سینکونین و سینکونیدین، موفق شدند مارپیچ‌هایی با راست‌گردی و چپ‌گردی دقیق تولید کنند. آزمایش‌ها نشان داد زمانی‌که نانومارپیچ‌ها راست‌گرد باشند، تنها یک جهت از اسپین اجازه عبور دارد و اسپین مخالف مسدود می‌شود؛ کشفی که بیانگر توانایی ساخت نانوساختار‌های معدنی سه‌بعدی برای کنترل اسپین است.

نام در توضیح این دستاورد گفت: کایرالیته در مولکول‌های آلی شناخته‌شده است و معمولاً عملکرد شیمیایی یا زیستی آنها را تعیین می‌کند. اما در مواد معدنی، کنترل دست‌سانی در مقیاس نانو بسیار دشوار است. اینکه توانستیم صرفا با افزودن مولکول‌های کایرال جهت‌گیری نانومارپیچ‌های معدنی را برنامه‌ریزی کنیم، یک جهش بزرگ در شیمی مواد محسوب می‌شود.

برای تأیید دست‌سانی این نانومارپیچ‌ها، تیم پژوهشی روشی نوین مبتنی بر نیروی محرکه الکتریکی (emf) توسعه داد و با قرار دادن ساختار‌ها در میدان مغناطیسی چرخشی، سیگنال‌های مخالفی از مارپیچ‌های راست‌گرد و چپ‌گرد دریافت کرد که اثباتی کمی برای وجود کایرالیته در این مواد بود.

همچنین مشخص شد که این مواد مغناطیسی به‌دلیل جهت‌گیری ذاتی اسپین‌ها قادر به انتقال اسپین در مسافت‌های طولانی در دمای اتاق هستند؛ پدیده‌ای که در نانومارپیچ‌های غیرمغناطیسی مشابه مشاهده نشد. این نخستین بار است که انتقال اسپین نامتقارن در یک ساختار ماکروسکوپی کایرال اندازه‌گیری می‌شود. افزون بر این پژوهشگران با ساخت یک دستگاه حالت‌جامد توانستند هدایت الکتریکی وابسته به کایرالیته را به نمایش بگذارند که گامی عملی در مسیر کاربرد‌های اسپین‌ترونیک به‌شمار می‌رود.

به گفته کیم این سامانه می‌تواند بستری برای توسعه اسپین‌ترونیک کایرال و طراحی نانوساختار‌های مغناطیسی دست‌سان باشد.

او تأکید کرد که امکان کنترل دست‌سانی (چپ/راست) و حتی تعداد رشته‌ها (تک، دوگانه یا چندگانه) در این نانومارپیچ‌ها با استفاده از روش الکتروشیمیایی توسعه‌یافته دریچه‌ای تازه به‌سوی کاربرد‌های گسترده‌تر در فناوری‌های نوین خواهد گشود.