Karma dönüşlerle hareket ettirilen atomik halı. Tabakalı demir fosfor trisülfürde atomik tabakaların kesilmesine, ışık darbesine maruz kalma üzerine elektron spininin karıştırılması neden olur. Solda sıralı dönüşler; sağda şifreli dönüşler. Kredi: Görüntü: Argonne Ulusal Laboratuvarı
Son teknoloji ultra hızlı görüntüleme teknikleri, katmanlı bir malzemede manyetik durumdaki bir değişikliğe bağlı ultra hızlı mekanik hareketi ortaya çıkardı. Bu merak uyandıran manyetik etki, ultra hassas ve hızlı hareket kontrolü gerektiren nanocihazlarda uygulamalara sahip olabilir.
Sıradan bir metal ataş bir mıknatısa yapışır. Bilim adamları bu tür demir içeren malzemeleri ferromanyetler olarak sınıflandırırlar. Bir asırdan biraz daha uzun bir süre önce, fizikçiler Albert Einstein ve Wander de Haas, bir ferromanyet ile şaşırtıcı bir etki bildirdiler. Bir demir silindiri bir tele asıp manyetik alana maruz bıraktığınızda, manyetik alanın yönü tersine çevrilirse dönmeye başladığını buldular.
“Einstein ve de Haas’ın deneyi neredeyse bir sihir gibi ABD Enerji Bakanlığı’nın (DOE) Argonne Ulusal Laboratuvarı’nın Malzeme Bilimi ve X-ışını Bilimi bölümlerinde fizikçi olan Haidan Wen. ”Bir silindire hiç dokunmadan dönmesini sağlayabilirsiniz.”
“Bu deneyde, mikroskobik bir özellik olan elektron dönüşü, makroskobik bir nesne olan bir silindirde mekanik bir tepki ortaya çıkarmak için kullanıldı. .”
— Alfred Zong, University of California, Berkeley’de Miller Araştırma Görevlisi
Nature bilimsel dergisinde, Argonne ve diğer ABD ulusal laboratuvarları ve üniversitelerinden araştırmacılardan oluşan bir ekip şimdi bir ”anti”-ferromagnet. Bu, ultra hassas ve ultra hızlı hareket kontrolü gerektiren cihazlarda önemli uygulamalara sahip olabilir. Minimal invaziv teşhis ve ameliyat için nanorobotlarda kullanım gibi biyomedikal uygulamalara yönelik yüksek hızlı nanomotorlar buna bir örnektir.
Elektron Spini ve Rolü
Ferromanyet ile antiferromanyet arasındaki farkın yapması gerekenler elektron dönüşü adı verilen bir özellik ile. Bu dönüşün bir yönü vardır. Bilim adamları yönü, yukarıyı veya aşağıyı veya aradaki herhangi bir yönü gösterebilen bir okla temsil eder. Yukarıda sözü edilen mıknatıslanmış ferromanyette, demir atomlarındaki tüm elektronlarla ilişkili oklar aynı yönü, örneğin yukarıyı gösterebilir. Manyetik alanın tersine çevrilmesi, elektron dönüşlerinin yönünü tersine çevirir. Yani, tüm oklar aşağıyı gösteriyor. Bu tersine çevirme, silindirin dönüşüne yol açar.
“Bu deneyde, mikroskobik bir özellik olan elektron dönüşü, bir silindirde, makroskopik bir nesnede mekanik bir tepki ortaya çıkarmak için kullanıldı,” dedi Miller Araştırma Görevlisi Alfred Zong. California Üniversitesi, Berkeley’de.
Antiferromanyetik Deney
Antiferromanyetiklerde, elektron spinlerinin tamamı yukarıyı göstermek yerine, örneğin bitişik elektronlar arasında yukarıdan aşağıya doğru değişirler. Bu zıt dönüşler birbirini yok eder ve bu nedenle antiferromanyetikler manyetik alandaki değişikliklere ferromanyetiklerin yaptığı gibi tepki vermezler.
“Kendimize sorduğumuz soru şu: Elektron spini bir antiferromıknatısta farklı bir tepkiye neden olabilir mi? ama ruh olarak Einstein-de Hass deneyindeki silindir dönüşüne benziyor mu? dedi Wen.
Ekip, bu soruyu yanıtlamak için bir antiferromanyetik olan demir fosfor trisülfid (FePS3) örneği hazırladı. Örnek, her biri yalnızca birkaç atom kalınlığında olan birden çok FePS3 katmanından oluşuyordu.
“Geleneksel bir mıknatısın aksine, FePS3 özeldir çünkü katmanlar arasındaki etkileşimin gerçekleştiği katmanlı bir yapıda oluşturulmuştur. Washington Üniversitesi’nde fizik ve malzeme bilimi profesörü olan Xiaodong Xu, “Son derece zayıf,” dedi.
Denemenin Sonucu
“Ultra hızlı lazer uyguladığımız bir dizi doğrulayıcı deney tasarladık. Wen, bu katmanlı malzemede darbeler uyguladı ve malzeme özelliklerinde meydana gelen değişiklikleri optik, X-ışını ve elektron darbeleriyle ölçtü” diye ekledi Wen.
Ekip, darbelerin malzemenin manyetik özelliğini değiştirerek malzemenin manyetik özelliğini değiştirdiğini buldu. elektron spinlerinin sıralı oryantasyonu. Elektron dönüşü için oklar artık düzenli bir şekilde yukarı ve aşağı arasında değişmiyor, düzensiz.
“Elektron dönüşündeki bu karıştırma, numunenin tamamında mekanik bir tepkiye yol açıyor. Massachusetts Institute of Technology’de (MIT) fizik profesörü olan Nuh Gedik, katmanlar arasındaki etkileşimin zayıf olması nedeniyle, örneğin bir katmanı bitişikteki katmana göre ileri geri kayabilir” dedi.
{6 }Bu hareket, salınım başına inanılmaz bir 10 ila 100 pikosaniye hızında ultra hızlıdır. Bir pikosaniye, saniyenin yalnızca trilyonda birine eşittir. Bu o kadar hızlıdır ki, bir pikosaniyede ışık milimetrenin yalnızca üçte biri kadar yol alır.
Atomik ölçekte uzamsal çözünürlüğe ve pikosaniye cinsinden ölçülen zamansal çözünürlüğe sahip numuneler üzerindeki ölçümler, birinci sınıf bilimsel tesisler gerektirir. Bu amaçla ekip, atomik yapıların analizleri için elektron ve X-ışınları kullanan son teknoloji ultra hızlı problara güvendi.
Washington Üniversitesi’ndeki optik ölçümlerden motive olan ilk çalışmalarda mega- SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarında elektronvolt ultra hızlı elektron kırınım tesisi. MIT’de ultra hızlı bir elektron kırınım düzeneğinde ileri çalışmalar yapıldı. Bu sonuçlar, Nano Ölçekli Malzemeler Merkezi’ndeki (CNM) ultra hızlı elektron mikroskobu tesisindeki çalışma ve Gelişmiş Foton Kaynağındaki (APS) 11-BM ve 7-ID ışın çizgileri ile tamamlandı. Hem CNM hem de APS, Argonne Ulusal Laboratuvarı’ndaki DOE Office of Science kullanıcı tesisleridir.
Keşfin Etkileri
Katmanlı bir antiferromanyetteki elektron dönüşünün de pikosaniyeden daha uzun sürelerde etkisi vardır. APS ve CNM tesislerinin kullanıldığı önceki bir çalışmada, ekibin üyeleri katmanların dalgalı hareketlerinin, elektron dönüşleri için düzensizden düzenli davranışa geçişe yakın zamanlarda önemli ölçüde yavaşladığını gözlemlediler.
“ Zong, “Mevcut araştırmamızdaki en önemli keşif, elektron dönüşü ile bu antiferromanyetin katmanlı yapısına özel atomik hareket arasında bir bağlantı bulmaktı” dedi. ”Ve bu bağlantı çok kısa sürede ve küçük uzunluk ölçeklerinde ortaya çıktığı için, manyetik alanı değiştirerek veya alternatif olarak küçük bir gerinim uygulayarak bu hareketi kontrol etme yeteneğinin nano ölçekli cihazlar için önemli sonuçları olacağını öngörüyoruz.”{4 }
Referans: “Van der Waals antiferromanyetinde spin aracılı kesme osilatörleri”, yazan Alfred Zong, Qi Zhang, Faran Zhou, Yifan Su, Kyle Hwangbo, Xiaozhe Shen, Qianni Jiang, Haihua Liu, Thomas E. Gage, Donald A. Walko, Michael E. Kozina, Duan Luo, Alexander H. Reid, Jie Yang, Suji Park, Saul H. Lapidus, Jiun-Haw Chu, Ilke Arslan, Xijie Wang, Di Xiao, Xiaodong Xu, Nuh Gedik ve Haidan Wen , 2 Ağustos 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-06279-y
Wen, Zong, Xu ve Gedik’in yanı sıra Qi Zhang, Faran gibi diğer yazarlar Zhou, Yifan Su, Kyle Hwangbo, Xiaozhe Shen, Qianni Jiang, Haihua Liu, Thomas Gage, Donald Walko, Michael E. Kozina, Duan Luo, Alexander Reid, Jie Yang, Suji Park, Saul Lapidus, Jiun-Haw Chu, Ilke Arslan , Xijie Wang ve Di Xiao.
Bu çalışma öncelikle DOE Temel Enerji Bilimleri Ofisi tarafından desteklenmiştir.